意法半导体GaN晶体管推动下一代电机逆变器的发展

作者

Ester Spitale

意法半导体技术市场经理

Albert Boscarato

意法半导体应用实验室经理

GaN技术在不同应用中的优势

满足日益增长的高能效和高功率性能需求，同时不断降低成本和尺寸是当今功率电子行业面临的主要挑战。

较新的宽禁带化合物半导体材料氮化镓（GaN）的引入代表功率电子行业在朝着这个方向发展，并且，随着这项技术的商用程度不断提高，其应用市场正在迅猛增长。

高电子迁移率晶体管（HEMT）氮化镓（GaN）的品质因数（FOM）、导通电阻RDS(on)和总栅极电荷（QG）三个参数均优于相应的硅基器件，同时具有很高的漏源电压耐压能力、零反向恢复电荷和非常低的寄生电容。

电能功率转换是第一个广泛应用GaN技术的领域，能够满足更严格的能效要求让GaN成为功率转换系统提高能效的首选解决方案。GaN更高的开关频率能够让功率转换系统实现更高的功率密度、小型化和轻量化，降低成本。

在电机控制设计中，尺寸和能效同样具有重要意义，最大限度降低驱动器的导通和开关损耗是节能降耗的关键所在。

随着硅基晶体管技术的功率密度、击穿电压和开关频率接近理论极限，依靠传统硅基MOSFET和IGBT晶体管提升电机驱动性能变得越来越难。在高压电机控制应用中，电气特性更为优异的GaN晶体管成为MOSFET和IGBT的有效替代方案。

▲图1. 基于GaN晶体管的逆变器的简化框图

推动下一代电机逆变器的发展

GaN甚至有望为低频开关（最高20kHz）的应用带来显著优势。在家用电器领域，电机驱动系统如洗衣机、冰箱、空调、吸尘器等主要依靠逆变器来控制电机转速、转矩和能效。因为受到机械和功能限制，家电电机的实际尺寸基本上是固定不变的，这一点与工业伺服电机或精密电机不同。这意味着，通过缩小电机本身来减小整体系统尺寸的传统方法是行不通的——而是必须改进驱动电机的逆变器和相应的功率电子器件。

从这个意义上讲，需要指出的是，相较于传统硅基晶体管，GaN产品并非是某一项参数十分突出，而是各方面的综合性能明显胜出。

GaN的反向恢复电荷（Qrr）很小，实际上可忽略不计，寄生电容很低，因此，可以耐受略高的电压变化率dV/dt。虽然电机绕组和绝缘限制了dV/dt最大允许值，但GaN在更高开关速度下工作的能力，使得设计人员能够精心优化开关边沿。

此外，GaN开关还可以安全地大幅缩短死区时间，而不会产生桥臂直通风险，上下桥臂开关之间的转换时间可以轻松缩短到硅基晶体管的十分之一，更短的死区时间可以提高逆变器能效，降低开关损耗，同时又不会影响电机的可靠性。

尽管性能提升如此显著，但远不止于此。事实上，所有这些“小”改进累加在一起，最终带来了或许是所有改进中最关键的一点：节省散热器。

告别散热器

耗散功率的大幅降低让设计人员能够对逆变器功率转换级中笨重的散热器进行瘦身设计，甚至抛弃散热器。现在，装配线可能需要更少的制造工序。没有散热器也意味着无需螺钉或安装接头，从而避免了设备长期使用后可能出现的机械故障，这有望节省维保成本。

总体结果是逆变器设计变得小型化、轻量化，经济效益更好，更适合要求严格且竞争激烈的家电市场。

▲图2. 在无散热器式电机逆变器上安装的700V GaN

图2所示波形显示了在相关测试中GaN的温升非常低及平滑。在上面的示例中，被测器件的典型RDS(on)为80mΩ。电机逆变器的开关频率为16kHz，dV/dt最大值略低于10V/ns。

该GaN开关管可以安全地输出约800W的功率，而不会发生热失控。温升Δt小于70°C，在达到150°C的最高工作结温（TJmax）之前，有充足的安全裕量。

这一优异的测试结果是在没有安装散热器的情况下取得的，GaN是安装在一个通用两层PCB上，通过电路板本身散热。

STPOWER GaN晶体管

STPOWER GaN晶体管本质上是常关型p-GaN栅极增强模式晶体管，零反向恢复电荷。STPOWER GaN700V额定击穿电压（VDS）晶体管目前总共有七款产品，典型导通电阻RDS(on)范围270mΩ到53mΩ，采用DPAK、PowerFLAT 8x8和TO-LL封装。

该产品组合正在快速扩大，增加了不同的封装、RDS(on)和击穿电压的产品。