电机设计中对于GaN HEMT的使用

电机设计中对于GaN HEMT的使用

GaN HEMT的电气特性使得工程师们选择它来设计更加紧凑、承受高压和高频的电动机，综上所述这类器件有如下优点：

较高的击穿电压，允许使用更高（大于1000V）的输入电压

较高的电流密度，使得GaN组件在不降低功率的情况下设计得更紧凑

快速开关能力，支持高频（200KHz及以上）电机运行

高频操作，限制输出电流波动，减小滤波器元件尺寸

降低开关功耗，限制功率损失，提供效率

耐高温，允许使用较小的散热器

高度集成，允许在芯片上集成GaN HEMT（与硅材料不同）

较少BOM材料，简化设计方案，在电机驱动方案中GaN HEMT可以处理各种电流，而不需要IGBT所需的反向二极管。

这些优点让工程师能够设计出高度紧凑的电动机，其输出功率与传统电机相同，体积仅为传统电机的二分之一，而且功耗低得多，唯一的缺点是GaN HEMT设计需要更高水平的电路开发和测试的专业知识。

集成解决方案最大限度的提高GaN HEMT器件带来的好处

直到最近MOSFET和IGBT器件相比GaN HEMT的一个关键优势是它们广泛的商业可用性，但是现在工程师们已经能够很容易的使用GaN HEMT技术了，更好的消息是硅供应商现在可以提供基于GaN HEMT的集成解决方案，大大简化了高压高频交流电机的逆变器设计。

在此之前GaN HEMT被包装成一个带有独立驱动的分立器件，因为晶体管和驱动元件是基于不同工艺技术的，而且通常由不同的制造商提供，这种的缺点是存在寄生电阻和电感之间的连接导线，增加了开关损耗。将GaN HEMT和驱动元件集成在相同的框架内可以消除共源电感，这在快速开关电路中尤其的重要，因为不需要的电感会产生振响，从而可能导致电流保护电路出现故障。集成封装的第二个关键优点是可以在驱动元件中内置热传感器，确保在过热情况下GaN HEMT损坏之前关闭。

TI（德州仪器）推出了一款基于GaN HEMT、高速驱动和保护机制的功率级器件LMG3410R070（图2），这款产品是行业内首款600V GaN集成功率级器件，采用的是8mm X 8mm QFN封装的多芯片模块（MCM），方便工程师方案设计。导通电阻非常低，仅70mΩ，这款门驱动器内置了降压/升压转换器，从而可以产生负电压来关闭GaN HEMT。

图2：TI推出的LMG3410R070功率级器件集成了GaN HEMT和驱动器（来源：德州仪器）

LMG3410R070 GaN功率级器件的一个关键优点是在硬切换时控制转换速率，这种控制对于抑制PCB寄生电阻和EMI具有重要意义，TI这款产品采用可编程电流来驱动GaN门，使得转换速率可以设定在30~100V/ns之间。

两个LMG3410R070 GaN功率级器件可以组成半桥结构，实现快速的硬切换操作，降低开关损耗，消除寄生电感和反向电荷，这些都是设计人员驱动大功率电机不同阶段所需要的（图3）。

图3：该应用电路原理图展示了两个TI GaN功率级器件组成的半桥结构，可以用来驱动三相电机的某一相（来源：德州仪器）

搭建高性能电机的驱动器

一个完整的交流电机驱动解决方案（图4）有三个部分组成：整流器（交流/直流转换器）、直流电路和逆变器（直流/交流转换器）

图4：该电机驱动解决方案原理图说明了直流电路部分电容放置的位置。（来源：KEMET）

整流器通常是采用二极管或晶体管拓扑，将标准的50或60Hz的交流电源转换为直流电源，整流器输出的直流电源经过过滤并存储在直流电路部分，然后输入给逆变器，逆变器会将直流电源转换成三个正弦的PWM信号，用来驱动三相交流电机。

直流电路部分起到的作用如下：

对整流器输出的电压和电流进行过滤

消除整流器输出电压的毛刺，否则可能会损坏逆变器的晶体管

提高电路效率

消除可能损坏晶体管的感应电流

确保电力能够平稳传输到负载

直流部分通常采用单个电容器，设计在电机驱动电路的整流器和逆变器两级之间，虽然直流部分易于实现，但是它对于电机的整体性能和效率的重要性使得元件的选择至关重要。

直流部分的设计还是具有挑战性的，涉及到高速率的电压转换(dV/dt)和高电压峰值，因此设计人员要选择能够承受这种压力的器件非常重要，KEMET推出的KC-LINK电容采用的是陶瓷（锆酸钙，CaO3Zr）材料和镍电极，是非常好的选择，它是专门为高压、高频电路而设计的。

KC-LINK器件的关键特性是非常低的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL），这样有助于提高系统效率，特别是在高压应用中，此外电容能够在高频和高温下工作这是下一代电机所必须的，电容器要能够承受10MHz的频率，温度范围从-55~150℃，该器件的另一个特性是电容不会随电压变化而发生漂移，这是经过AEC-Q200标准认证的。

总结

WBG半导体器件的商业可用性，比如电机逆变器的GaN HEMT和直流部分的高性能电容器正在不断满足设计人员对于大功率电机驱动的可靠性需求，这些关键部件让设计人员能够提升现有的产品，是电机变得更加紧凑、轻便而且价格更低，同时使得电机的使用范围扩大到更广泛的新型应用领域，此外新一代高功率电机将大大降低能源需求，为绿色地球作出贡献。

关键要点

高频高压电机会增强功率，提升效率

电机应用中高频驱动逆变器的快速切换如果采用传统的MOSFET和IGBT会产生不可接受的损耗、

WBG半导体晶体管比如GaN能够克服这些问题

集成GaN HEMT和驱动器方案现在已经可以应用于电机系统中

能够承受高压条件的高性能电容也可以应用到需要高压高频电机驱动电路的直流部分