GaN功率器件在工业电机控制领域的应用

电机控制，尤其是频率控制驱动器，是一种近年来发展迅速的技术，这是由于电机在各种应用中的广泛使用以及巨大的节能潜力。用于电机控制的基于框架的电源模块在对成本、尺寸和性能特别敏感的应用领域发生了重大变革。

新兴电子应用需要能够从紧凑型平台中提取更高性能的电动机设计。依靠经典硅 MOSFET 和 IGBT 的电机驱动器电路正在努力满足新标准。随着硅技术接近功率密度、击穿电压和开关频率的理论极限，设计人员越来越难以控制功率损耗。这些限制的主要后果是在高工作温度和开关速率下效率降低和额外的性能问题。

考虑一个开关频率≥40 kHz 的硅基功率器件。在这些条件下，开关损耗大于传导损耗，对整体功率损耗产生级联效应。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) 器件具有出色的电气特性，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。

尺寸和能源效率对于机器人和其他工业用途的电机很重要，但其他因素也发挥了作用。GaN 解决方案可实现更高的脉宽调制 (PWM) 频率，而低开关损耗有助于驱动具有极低电感的永磁电机和无刷直流电机。这些功能还可以最大限度地减少扭矩波动，以在伺服驱动器和步进电机中进行精确定位，从而使高速电机能够在无人机等应用中实现高电压。

氮化镓的好处

GaN是一种宽带隙材料。结果，它的禁带（电子从价带移动到导带所需的能量）比硅的禁带宽得多：大约为 3.4 eV 和 1.12 eV。因为通常在接头中积聚的电荷可能会更快消散，所以 GaN HEMT 增强的电子迁移率与更快的开关速度相关。

GaN 的低开关损耗和在比硅高 10 倍的开关频率下工作的能力是由于其更短的上升时间、更低的漏源导通电阻 (R DS(on) ) 值以及更低的栅极和输出电容. 在高开关频率下工作的能力允许更小的占位面积、重量和体积，并消除了对电感器和变压器等笨重组件的需求。随着开关频率的增加，GaN HEMT 晶体管的开关损耗仍然远低于硅 MOSFET 或 IGBT 的开关损耗，并且开关频率越高，差异越明显。

综上所述，GaN 器件在多个方面优于传统的硅基功率器件，包括：

GaN 的击穿场比硅高 10 倍以上（3.3 MV/cm 对 0.3 MV/cm），允许基于 GaN 的功率器件在损坏之前支持 10 倍高的电压。

在相同的电压值下运行，GaN 器件表现出较低的温度并产生较少的热量。因此，它们可以在比硅更高的温度（高达 225°C 及以上）下工作，而硅受到其较低的结温（150°C 至 175°C）的限制。

由于其固有结构，GaN 可以在比硅更高的频率下开关，并提供低 R DS(on)和出色的反向恢复。这反过来又会产生高效率，同时减少开关和功率损耗。

作为 HEMT，GaN 器件具有比硅器件更高的电场强度，从而允许更小的裸片尺寸和更小的占位面积。

电机控制解决方案

驱动交流电机的常见解决方案包括交流/直流转换器、直流电路和直流/交流转换器（逆变器）。第一级通常基于二极管或晶体管，将 50-Hz/60-Hz 主电压转换为近似直流电压，随后将其过滤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 PWM 信号，每个信号驱动一个电机相位。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。

例如， EPC 的EPC2152是一种集成在一个封装中的驱动器和 eGaN FET 半桥功率级 IC，它基于该公司的专利 GaN IC 技术。单片芯片包含输入逻辑接口、电平转换、自举充电和栅极驱动缓冲电路，以及配置为半桥的 eGaN 输出 FET。高集成度使紧凑的 3.85 × 2.59 × 0.63-mm 封装尺寸成为芯片级 LGA 外形尺寸。在半桥拓扑中，两个 eGaN 输出 FET 旨在具有相同的 R DS(on)。使用带有 eGaN FET 的片上栅极驱动缓冲器几乎消除了共源极电感和栅极驱动环路电感的影响（参见图 1）。基于来自驱动输出 FET 的反馈对栅极驱动电压进行内部调节可确保安全的栅极电压电平，同时仍将输出 FET 导通至低 R DS(on)状态。

图 1：EPC2152 的功能图（来源：EPC）

另一个例子是来自 GaN Systems 的GS-065-004-1-L增强型 GaN-on-silicon 功率晶体管。GaN 的特性允许高电流、高电压击穿和高开关频率。GaN Systems 实施了其获得专利的 Island Technology 单元布局，以实现高电流芯片性能和良率。GS-065-004-1-L 是一款底部冷却晶体管，采用 5 × 6-mm PDFN 封装，具有低结壳热阻。这些特性结合起来提供了非常高效的电源开关。

Navitas Semiconductor 的NV6113将 300-mΩ、650-V 增强型 GaN HEMT、栅极驱动器和相关逻辑集成在 5 × 6-mm QFN 封装中。NV6113 可以承受 200 V/ns 的压摆率，工作频率高达 2 MHz。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”高性能动力总成构建块。该电源 IC 将传统拓扑（例如反激式、半桥式和谐振型）的功能扩展到兆赫频带以上的开关频率。NV6113 可以作为单个器件部署在典型的升压拓扑中，也可以并行部署在流行的半桥拓扑中。

图2：Navitas Semiconductor的NV6113典型应用电路（来源：Navitas Semiconductor）

Texas Instruments Inc. 提供广泛的 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。为简化该器件的设计，TI 提供了 TIDA-00909，这是一种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。

GaN 与 SiC

由于节能、尺寸减小、集成选项和可靠性等特性，在电机控制和电力控制应用中使用碳化硅 (SiC) 器件是一项重大突破。除其他外，现在可以在逆变器电路中为连接的电机采用最佳开关频率，这对电机设计具有重要意义。

在主动冷却以调节半导体损耗是性能和可靠性的关键方面的解决方案中，高达 80% 的损耗降低可能会改变游戏规则。一个例子是基于 SiC 的CoolSiC MOSFET，采用 XT 连接技术，采用英飞凌科技的 1,200-V 优化 D2PAK-7 SMD 封装，以小尺寸提供有吸引力的热性能。这种组合允许在伺服驱动器等高密度电机驱动领域实现被动冷却，从而使机器人和自动化行业能够创建免维护和无风扇电机逆变器。自动化中的无风扇解决方案开辟了新的设计可能性，因为它们节省了维护和材料方面的金钱和时间。由此产生的小系统尺寸使其适合于机械臂中的驱动集成。

与具有相似额定值的 IGBT 相比，在相同的外形尺寸下可以实现更高的电流，具体取决于为 CoolSiC 选择的电源类型，同时仍保持恒定的结温，这在 SiC MOSFET 的情况下显着降低（约 40-60 K）与 IGBT（105 K）相比。对于给定的器件尺寸，SiC MOSFET 允许在没有风扇的情况下驱动更高的电流。

结论

电动机几乎遍布现代文明的方方面面，从我们在家中和厨房使用的电气设备到我们驾驶的汽车（包括汽油动力、混合动力和全电动汽车）以及生产我们智能手机的工厂. 尽管有些电机非常简单，有些电机非常复杂，但它们都有一个共同点：它们都需要被控制。

其他电机应用，例如当今工业厂房中的应用，需要复杂的电机控制来提供高精度和高速电机控制活动。在直流和电池供电的电机应用中，传统的硅 MOSFET 和低 PWM 频率逆变器正在逐步淘汰，取而代之的是基于 GaN 的高 PWM 频率逆变器。好处包括提高系统效率和消除大型无源元件 - 即电解电容器和输入电感器。

　　审核编辑：汤梓红