用于电动机的GaN器件

新兴的电子应用要求电机设计能够从更紧凑的平台中获得更高的性能。设计人员很难满足基于传统硅 MOSFET 和 IGBT 的电机驱动器电路的新要求。随着硅技术达到功率密度、击穿电压和开关频率的理论极限，设计人员更难控制功率损耗。这些限制的主要影响是在高工作温度和高开关速率下的次优效率和额外的性能问题。

考虑在 ≥ 40 kHz 的开关频率下运行的硅基功率器件。在这些条件下，开关损耗大于传导损耗，对总功率损耗产生连锁效应。散发产生的多余热量需要散热器，从而增加了解决方案的重量、占地面积和成本。基于氮化镓 (GaN) 的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 器件具有卓越的电气特性，是高压和高开关频率电机控制应用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。我们在这里的讨论集中在 GaN HEMT 晶体管在高功率密度电动机应用的功率和逆变器级中提供的优势。

氮化镓的好处

氮化镓是一种宽带隙 (WBG) 材料。因此，它的禁带（对应于电子从价带传递到导带所需的能量）比硅更宽：约 3.4 电子伏特，而硅则​​为 1.12 eV。GaN HEMT 更高的电子迁移率转化为更快的开关速度，因为通常在接头中积累的电荷可以更快地分散。GaN 可实现更快的上升时间、更低的漏源导通电阻 (RDS(on)) 值以及更低的栅极和输出电容，所有这些都有助于其低开关损耗和在高达 10 倍的开关频率下工作的能力。硅。降低功率损耗会带来额外的好处，例如更高效的配电、更少的散热、

图 1：GaN 和硅

晶体管的整体器件损耗（图片：德州仪器）

在高开关频率下运行的可能性使解决方案能够减少占用空间、重量和体积，避免使用电感器和变压器等笨重组件。图 1 显示了随着开关频率升高，采用硅和氮化镓技术构建的功率器件的传导和开关损耗趋势线。对于这两种材料，传导损耗保持不变，而开关损耗增加。但是随着开关频率的增加，GaN HEMT 晶体管的开关损耗仍然明显低于硅 MOSFET 或 IGBT 的开关损耗，并且开关频率越高，差异变得越明显。

GaN HEMT 与传统硅器件相比的主要优势是：

更高的压摆率（dV/dt 为 100 V/ns 或更高），进而支持更快的开关速率，从而降低开关损耗；

接近零的反向恢复电荷（因为 GaN HEMT 没有本征体二极管，因此不需要反并联二极管，并且降低了功率损耗和电磁干扰 [EMI] 效应）；

在较高温度（高达约 300 °C）下完全运行而不影响开关能力；

更高的击穿电压（600 V 以上）；

在给定的开关频率和电机电流下，开关损耗是硅 MOSFET 的 10% 到 30%；和

更高的效率、更小的占地面积和更轻的重量。

所有这些特性都有利于在高压和高频电动机的驱动器设计中使用 GaN HEMT 器件。借助 GaN HEMT，设计人员可以构建具有与硅基设计相同的输出特性但尺寸更紧凑且功率吸收更低的电动机。

高性能电机驱动

低电压、低电感、高转速无刷电机需要典型开关频率在 40 kHz 到 100 kHz 之间的驱动电路，能够最大限度地减少电机扭矩的损失和变化。驱动交流电机的常见解决方案，如图 2 所示，包括 AC/DC 转换器、DC 电路（在图 2 中由电容器表示）和 DC/AC 转换器（逆变器）。第一级通常基于二极管或晶体管，将 50-Hz/60-Hz 主电压转换为近似的直流电压，随后经过滤波并存储在直流电路中，供逆变器以后使用。最后，逆变器将直流电压转换为三个正弦脉宽调制 (PWM) 信号，每个信号驱动一个电机相位。

图 2：典型电机驱动器解决方案的简化框图
（图片：德州仪器）

直流电路过滤来自 AC/DC 转换器的电压和电流，抑制可能损坏逆变器晶体管的电压瞬变，减少可能损坏逆变器晶体管的感应电流，稳定提供给负载的电压，并提高整体效率。电容器必须在特别关键的条件下运行，例如高转换率和高电压峰值。因此，设计人员应仔细选择电容器以确保所需的高压特性——例如，选择贱金属电极 (BME) 电容器。

集成电源解决方案

再次参考图 2，GaN HEMT 晶体管通常用于实现电机驱动器逆变器级，这是高压和高频电机驱动器解决方案的最关键点。如今，几种基于 GaN 技术的集成器件已上市。

例如，Navitas Semiconductor 的 NV6113 集成了 300-mΩ、650-V 增强型 GaN HEMT；栅极驱动器；和相关逻辑，全部采用 5 × 6 毫米 QFN 封装。NV6113 可承受 200 V/ns 的压摆率，并以高达 2 MHz 的频率运行。该器件针对高频和软开关拓扑进行了优化，创建了一个易于使用的“数字输入、电源输出”高性能动力系统构建块。电源 IC 将传统拓扑（例如反激式、半桥式和谐振型）的功能扩展到兆赫兹以上的开关频率。NV6113 可以部署为典型升压拓扑中的单个设备，也可以并联使用在流行的半桥拓扑中。

德州仪器 (TI) 拥有广泛的 GaN 集成功率器件产品组合。例如，LMG5200 集成了一个基于增强型 GaN FET 的 80V GaN 半桥功率级。该器件由两个 GaN FET 组成，由一个采用半桥配置的高频 GaN FET 驱动器驱动。为了简化该器件的设计，TI 提供了 TIDA-00909，这是一种用于使用三相逆变器和三个 LMG5200 的高频电机驱动器的参考设计。TIDA-00909 提供了一个兼容接口，用于连接到 C2000 MCU LaunchPad 开发套件，以便于进行性能评估。

图 3：TIDA-00909 框图
（图片：德州仪器）

图 3 是三相 GaN 逆变器的系统框图。红色虚线定义了 TIDA-00909 的边界。三个逆变器半桥中的每一个都采用集成的 80V、10A GaN 半桥模块 (LMG5200)；5-mΩ 相电流分流器；和一个差分电流检测放大器 (INA240)，增益为 20V/V，中点电压为 1.65V，由 3.3V 基准 (VREF3333) 设置。

包括 GaN HEMT 在内的宽带隙半导体的商业可用性使设计人员能够创建高效可靠的逆变器级来驱动高功率密度电动机。与硅基 MOSFET 和 IGBT 相比，GaN HEMT 可实现更高效、更紧凑、更轻、更经济的驱动器。

审核编辑：刘清