开关频率对直流母线电容器的影响

最近的研究表明，减少死区时间和增加开关频率可以提高电机效率。
高开关频率电机驱动逆变器只需陶瓷电容器即可优化直流母线所需的电容，从而减小转换器的整体尺寸。此外，由于布局中的低电感直流母线陶瓷电容器和低电感分布，良好的布局允许额外移除靠近开关电池的去耦电容器。

进行了实验测试，以证明先前使用无传感器磁场定向控制技术操作永磁电机的陈述。

测试的氮化镓电机驱动逆变器使用分立式FET和单片集成电路，这是通过氮化镓技术实现的。

开关频率对直流母线电容器的影响

电机驱动器中的直流母线电容器主要用于最小化电源电压的波动。电机驱动逆变器中使用的直流母线电容器主要有两种类型是电解电容器和陶瓷电容器。电解电容器的单位电容成本低于陶瓷电容器，但物理尺寸更大，等效串联电阻和电感 （ESL） 更高。电解电容器通常根据它们可以承载的RMS纹波电流进行设计。

基于GaN FET的逆变器的工作开关频率高于基于硅MOSFET的逆变器，因此可以仅在直流母线上使用陶瓷电容器。陶瓷电容器的尺寸基于纹波电压要求，纹波电压要求与转换器的开关频率成反比，从而在增加开关频率时按比例降低所需的总电容。较少数量的直流链路电容器降低了逆变器的总成本和体积。

* 图1. 直流母线上使用陶瓷电容器的三个逆变器的直流母线上的电压纹波与PWM开关频率的关系。90 μF逆变器上100 kHz时的电压纹波略低于工作在20 kHz下的360 μF逆变器的电压纹波，显示了提高电机驱动逆变器PWM频率的好处。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

陶瓷电容器的另一个优点是其固有的低寄生电感（ESL）。良好的布局和低ESL使其成为低电感电压源，这是开关电源转换器的关键因素。

如图1所示，当以较高的PWM频率进行开关时，由陶瓷电容器制成的直流母线的纹波电压效率很明显。这表明，使用90 μF逆变器以100 kHz开关的电压纹波低于在20 kHz下工作频率为360 μF电容的逆变器的电压纹波。

开关转换测量和开关单元优化

当今功率转换器的基本构建模块是开关单元，它由两个晶体管组成，它们以级联方式放置在直流总线的端子上，形成一个电源环路。PCB上的走线、过孔以及元件与PCB的所有连接都会在开关单元中引入寄生电感。

电源环路电感可以建模为开关单元端子与直流母线电压之间存在的寄生电感[3]。电源环路负责硬开关转换后振铃，这可能会导致器件过压并出现 EMI 问题。用于最小化电源环路电感的最常用方法是将去耦陶瓷电容器电放置在每个开关电池的晶体管附近。

在电机驱动应用中，开关转换压摆率通常保持在较低水平，dv/dt 低于 10 V/ns。与高压摆率转换相比，慢速转换产生的振铃更少，并且需要靠近开关电池的去耦电容更少。凭借良好的PCB布局，直流母线陶瓷电容器可以为开关电池提供低电感连接。

作为实验评估，对两块EPC的电机驱动逆变器板进行了测试;EPC9145 [4] 使用分立式 EPC2206 [5] GaN FET，EPC9173 [6] 使用EPC23101 [7] 单片集成栅极驱动器和 FET GaN IC。

EPC9145电机驱动逆变器配备了一个由陶瓷电容器组成的大容量直流母线和两个同样由陶瓷电容器组成的开关电池去耦电容器。第一块板配备9个220 nF高频环路去耦电容和16个1 μF中频去耦电容，而第二块板没有去耦电容，仅使用大容量直流母线电容工作。

逆变器以 100 kHz 开关频率运行，并以 50 A 峰值正弦电流驱动具有磁场定向控制的永磁电机。

图2中的波形显示了在50 A正相电流和负相电流下测量的上升和下降转换。去耦电容后，上升转换的差异被认为很小，对逆变器操作的影响很小。下降的过渡差异几乎可以忽略不计。在未配备去耦电容器的逆变器的情况下，过冲永远不会超过总线电压的25%。

* 图2. 显示以100 kHz运行的逆变器的正相电流和负相电流下测量的上升和下降转换的波形，用于驱动永磁电机。蓝色波形是配备许多去耦电容器的逆变器。红色波形是没有任何去耦电容的逆变器。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

使用基于EPC9173 GaN IC的电机驱动逆变器进行了相同的实验。单片GaN功率IC将栅极驱动器和功率FET集成到同一芯片上，有效地消除了共源电感（CSI）[3]，简化了开关电池的布局，并将寄生环路电感保持在最低水平。

基于集成电路的逆变器在正和负50 A峰值电流下测量的开关转换波形如图3所示。

* 图3. 在基于集成电路的逆变器上以正负50 A峰值电流测量开关转换波形。蓝色波形是配备许多去耦电容器的逆变器。红色波形是没有任何去耦电容的逆变器。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

单片式集成GaN功率IC最大限度地降低了半桥开关单元中的共源寄生电感，从而减少了对外部去耦电容器的需求，包括基于分立GaN FET的逆变器。

电容器类型对开关节点转换的影响

当平面交错以消除返回电流磁通量时，用于直流母线的陶瓷电容器可以产生与PCB上的开关转换器单元的低电感连接，覆盖大面积，并在电容器的内部连接附近施加过孔。

在两个装有不同直流母线电容器类型的GaN FET逆变器之间进行实验。第一个逆变器配备了2个47 μF SMD电解电容，开关电池上没有去耦电容。第二个逆变器配备了9x 10 μF多层陶瓷电容器。选择电容值以产生相似的标称直流母线电容。

图4显示了在50 A峰值正相和负相电流下工作的两个逆变器的上升转换的测量波形。配备陶瓷电容器的逆变器几乎没有电压过冲和振铃，在50 ns内衰减。配备电解电容器的逆变器会经历持续数百纳秒的显着电压过冲和振铃。

* 图4. 使用90 μF直流母线陶瓷和电解电容器在50 A峰值正负相电流下工作的逆变器上升转换的测量波形。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

根据所进行的实验，很明显，在试图消除开关电池的陶瓷去耦电容器时，电解电容器不是基于GaN FET和IC的电机驱动逆变器的好选择。实验中使用的电解电容器是低ESL和低ESR电容器，仍然不足以满足应用需求。

氮化镓场效应晶体管和集成电路的要点

GaN FET和IC可以有效地用于设计优化和高效的电机驱动逆变器。

由于GaN器件具有优异的开关性能，因此可以通过减少元件数量来优化使用这些器件的逆变器，从而比基于较低频率MOSFET的逆变器减小逆变器的整体体积。以更高的频率开关允许在直流母线中使用纯陶瓷电容器，这不仅减小了输入滤波器的体积，而且提供了去除开关电池上的高频去耦电容器的选项。

优化的电机驱动GaN逆变器具有90 μF直流链路陶瓷电容器，没有任何去耦电容器，工作频率为100 kHz，可以平稳驱动峰值正弦相电流为50 A的永磁电机。