氮化镓晶体管简化大电流电机驱动逆变器设计

叉车应用的逆变器由 24 V 至 120 V 之间的直流电压供电，可提供高达 900 ARMS 电机相电流。通常，每个生产商都有一个平台方法，并销售按电压范围划分的产品系列，其中逆变器的大小取决于在瞬态期间（例如，2分钟）可以实现的最大电流。

这些应用的典型逆变器包含在IP65等级的外壳（例如：150 mm x 120 mm x 60 mm）中，并带有厚铝底板。在外壳内部，功率晶体管通过热和机械连接到铝基板的绝缘金属基板 （IMS） 板上。IMS板上方是一个超高密度PCB，带有栅极驱动器、模拟信号调理、电源和至少两个微处理器，一个专用于功能，另一个专用于安全。需要一定数量的并联晶体管来处理电流和导通和开关耗散产生的热量。

目前，硅MOS技术主导着市场，对可并行使用的最大器件数量、最大PWM开关频率和互补开关之间的死区时间施加了限制。第一个约束限制了最大电流，而另外两个约束降低了电机效率。借助GaN技术，这种情况正在不断发展。

氮化镓优势

半导体材料中的临界场决定了器件的击穿电压。对于给定的击穿电压，电场越高，漂移区域的宽度越短。在GaN晶体管中，临界场比硅高一个数量级，二维电子气体（2DEG）产生的电子迁移率使得导通电阻低，同时保持其尺寸小。

氮化镓技术是平面的;对于给定的导通电阻，这些器件的电容比硅器件低约一个数量级。更小的尺寸和电容允许在同一基板上并联更多器件以处理更多电流。此外，较小的电容有助于提高PWM频率并减少死区时间，从而提高电机效率。

简化电机驱动应用中氮化镓晶体管的布局

氮化镓晶体管的开关速度比等效的硅MOSFET快。但是，权力越大，责任越大：布局必须精心设计。漏源电源环路电路和栅源环路电路对寄生电感很敏感。这对于开关频率必须在200 kHz以上的功率转换器中非常重要。电机驱动GaN逆变器的开关频率高达100 kHz，开关dv/dt设置为小于10 V/ns，以兼容电机绕组绝缘高频击穿要求。虽然大多数布局考虑因素仍然成立，但其他考虑因素可以在不影响最终结果的情况下放宽。

氮化镓场效应管基本布局指南

在不影响模块化的情况下，降低寄生电感并遵循对称方法至关重要。三种类型的寄生电感会对逆变器运行产生不利影响，如图1所示：

1. 共源寄生电感（CSI）（图1绿色框）：GaNFET栅极信号的返回路径必须与源极焊盘中的高电流路径分开。这种寄生电感对转换器工作有最大的不利影响，也是设计评审中最常见的错误。EPC GaN FET 没有专用的开尔文栅极回路连接，因此必须在 PCB 布局中进行此连接 [1]。
2. 电源回路寄生电感（L 圈 ）（图1棕色框）：包含DC+和GND的高频电流环路必须具有低电感以减少振铃，这会导致损耗和相关的EMI产生。GND平面的内部垂直布局已被证明会产生最低的电感布局[3]。
3. 栅极环路寄生电感（L 门 ）（图 1 洋红色盒）：GaN FET 栅极的推荐电压额定值和最大额定电压比硅 MOSFET 更严格;因此，必须特别注意栅极信号路径，该路径必须始终与栅极回路配对。这是设计评审中遇到的第二个最常见的错误。并联FET时，所有栅极路径应具有相同的阻抗（即相同的长度），以匹配每个栅极的电压幅度和传播。

* 图1. 寄生电感：（1） CSI，（2） 电源环路，（3） 栅极环路。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

* 图2. 并联 a） 晶体管与 b） 半桥。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

这些规则的一个结果是，对于高频GaN转换器，通常并联半桥而不是并联晶体管。示例如图 2 所示。但是，EPC9186参考设计采用并演示了一种更简单的方法，因为电机驱动器的开关速度比高频转换器慢。

EPC9186布局方法

EPC发布了几款使用GaN FET和GaN集成电路的电机驱动逆变器参考设计板。所有参考设计板共享相同的框图和控制器连接器，以帮助设计人员在逆变器系列的设计阶段扩大电流和电压。

新EPC9186尺寸为10 cm x 13.5 cm，是额定电压为100 V和150 ARMS稳态相电流的电机驱动逆变器的功率部分。它包括一个 10 层 2 oz FR4 PCB 和辅助电源，可从直流母线、相电压、电流检测电路和过流保护比较器产生 5 V 和 3.3 V。EPC9186电机驱动逆变器可与EPC9147x控制器配对，允许设计人员使用他们喜欢的运动控制器。

EPC9186开关电池有四个并联的EPC2302晶体管，采用简化的布局放置，放宽了并联GaN FET设计规则。栅极驱动器位于开关单元的左侧;低侧和高侧GaN FET排成两排，朝向相位输出连接器。

图3显示了EPC9186板和开关单元的细节，其中L1和H1是最接近栅极驱动器的低侧和高边晶体管，L4和H4是离栅极驱动器最远的晶体管。电机相位输出连接器如图所示。

图3.EPC9186 100 V， 150 A有效值每相电机驱动板。切换右侧的单元格详细信息。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]

此布局部分遵循上一节中给出的内部垂直布局规则 b）;也就是说，第一内层是GND连接，以最小化电源环路电感，但是，由于开关DV / DT较低，开关单元没有高频电容器。EPC9186中没有严格遵循所有栅极信号具有相同长度的通用准则，因为栅极路径长度随着与栅极驱动器的距离而增加。栅极信号封装在相应栅极信号回路的两层内，用作屏蔽。这两层连接到每个晶体管的单个开尔文点，以降低共源电感。

EPC9186实验结果

实验测试表明，简化开关电芯功率部分布局方法不会损害逆变器性能。图4显示了所有晶体管中的干净栅极信号，与栅极驱动器的距离无关。图5显示了稳态相电流能力与可接受的温升的函数关系。稳态电流取决于热条件，电路板使用由400 LFM气流冷却的散热器进行测试。

* 图4. 在+100 A和−80 A电机相电流下，栅极信号为H1-L1与H4-L4。时间 50 纳秒/格图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

* 图5. EPC9186电流与温度和频率的关系。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

结论

EPC GaN FET 器件比硅 MOSFET 小，并且对外壳的热阻较低，允许双面冷却。它们允许并联更多设备，可以在相同的逆变器外壳体积内传导更多电流，同时表现出卓越的热管理。这有利于电池供电的工业车辆，如叉车、手动搬运机或仓库自动车辆，这些车辆需要更小体积的更高电流。