高功率密度電機功率級中元件所面臨的挑戰(zhàn)

對緊湊但功能強大的電機的需求為設(shè)計工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。為了盡可能提高小型電機的功率輸出，工程師們開始轉(zhuǎn)向高壓和高頻工作。硅（Si）金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和集成柵極雙極晶體管（IGBT）——它們都是傳統(tǒng)開關(guān)模式逆變器（現(xiàn)代電機控制的重要組成部分）的基礎(chǔ)——正在努力應(yīng)對這些工作需求。有限的功率密度和擊穿電壓閾值限制了驅(qū)動電壓，而高頻工作所需的快速開關(guān)又推高了功率損耗，產(chǎn)生的結(jié)果就是效率低下、熱量積聚。

氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）為高電壓和高頻電機驅(qū)動應(yīng)用提供了MOSFET和IGBT的替代品。這些寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體器件為高功率密度電機開辟了新的應(yīng)用，因為它們可以處理更高的電壓、電流、溫度和開關(guān)頻率，而且損耗比硅晶體管低得多。高功率密度電機應(yīng)用中的集成GaN HEMT以及驅(qū)動逆變級已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，這為新技術(shù)的采用提供了便利。GaN HEMT逆變器是對新一代陶瓷電容器的補充，它可以處理高電壓尖峰和浪涌，而這些尖峰和浪涌可能會給高功率密度電機固有的傳統(tǒng)直流（DC）鏈路元件造成過大的壓力。

在下文中，我們將探討高功率密度電機功率級中使用的元件所面臨的挑戰(zhàn)，以及GaN HEMT和高性能陶瓷電容器為何能作為一種解決方案。

電機設(shè)計的進展

設(shè)計人員需要更小、更輕的電機，以提高現(xiàn)有產(chǎn)品的性能，并使其能夠用于各種新應(yīng)用。高電源電壓和控制頻率有望成為一種解決方案。高壓工作的優(yōu)勢

電機標稱功率是電源電壓乘以電流（V × A）的乘積。傳統(tǒng)電機在低電壓（《1000V）下運行，需要在大電流下運行才能產(chǎn)生高功率。大電流運行的缺點是需要較大的線圈，這增加了線圈電阻，降低了效率，也提高了溫度。高壓（≥10kV）降低了對電流的要求，從而能夠使用較小的線圈。其缺點是電機元件（包括電機驅(qū)動電子元件）必須承受高電壓，限制了選擇并增加了成本，而且小線圈具有低電感繞組的特點，難以抑制開關(guān)模式電源產(chǎn)生的電流紋波，這些電流紋波會導(dǎo)致電磁干擾（EMI）問題。

高頻工作的優(yōu)勢

現(xiàn)代電機的一種常見類型是三相交流（AC）型，通過依次向電機的各相（繞組）施加電流來驅(qū)動。電機轉(zhuǎn)子被繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場拉動，其轉(zhuǎn)速與工作頻率成正比。

脈寬調(diào)制（PWM）疊加在基本工作頻率上，用于控制啟動電流、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)。半導(dǎo)體晶體管（通常為MOSFET或IGBT）的開關(guān)決定了PWM波形。或IGBT的開關(guān)決定了PWM波形。高頻PWM的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于它可以減小電流紋波（整流后剩余的交流輸入痕跡），從而克服了較小線圈的缺點。電流紋波減小后，就可以采用更小、更便宜的無源元件進行濾波。高頻工作還可以減小轉(zhuǎn)矩波動（由于不完美的正弦波輸入到電機線圈而導(dǎo)致的電動勢不均勻），這種波動可能會導(dǎo)致電機振動和過早磨損?？傮w而言，高頻開關(guān)會提高功率密度（每單位體積產(chǎn)生的功率），從而使較小型電機的輸出能夠與較大型的設(shè)備相當。

傳統(tǒng)電機驅(qū)動已達到極限

傳統(tǒng)三相交流電機的工作電壓最高為1000V，開關(guān)頻率最高為20kHz。這樣的工作參數(shù)完全在廉價且商業(yè)上廣泛使用的硅MOSFET的能力范圍之內(nèi)，這些MOSFET用于在電機驅(qū)動的最后階段構(gòu)造逆變橋。但是，由于以下原因，硅晶體管在高功率密度電機應(yīng)用中達到了極限。1此類元件相對較低的擊穿電壓限制了電源電壓；2隨著工作頻率上升，晶體管的開關(guān)損耗（由晶體管每次從導(dǎo)通到關(guān)斷時的殘余電阻和電容引起）程度會迅速超過效率提高程度。3由于開關(guān)時間相對較長，此類器件的開關(guān)頻率存在閾值，無法在更高頻率工作。

IGBT較高的擊穿電壓為工程師提供了一些喘息機會，使他們可以提高工作電壓和工作頻率。但當工作頻率攀升至50kHz以上時，IGBT開始出現(xiàn)不可接受的開關(guān)損耗，并且無法快速開關(guān)。

GaN HEMT的優(yōu)勢

盡管硅是電子工業(yè)的支柱，但其他半導(dǎo)體往往還是會用于需要高壓和高頻操作或需要耐受高溫的專業(yè)應(yīng)用。這些其他種類半導(dǎo)體具有寬禁帶（WBG）的特點。禁帶寬度是指在半導(dǎo)體中釋放電子實現(xiàn)導(dǎo)電所需的能量。與硅相比，這些材料的電氣特性有顯著區(qū)別。WBG半導(dǎo)體的禁帶寬度為2eV至4eV，而硅的禁帶寬度為1eV至1.5eV。氮化鎵（GaN）就是一種成熟的商業(yè)化WBG半導(dǎo)體。

WBG的特性在硅MOSFET中，高于100°C的溫度會影響受控開關(guān)，因為一些電子會從熱量（而非開關(guān)電壓）中獲得足夠的能量，從而逃離母原子。由于WBG半導(dǎo)體的電子需要更多能量才能從原子中逃離并實現(xiàn)導(dǎo)電，因此直到溫度達到300°C時，GaN晶體管才會出現(xiàn)相同的效果。WBG半導(dǎo)體具有比硅更高的擊穿電壓（高于600V），其原理很復(fù)雜，但部分原因是由于一種稱為電子飽和速度（也稱為電子遷移率）的特性。

更高的遷移率使WBG半導(dǎo)體材料能夠處理兩倍于硅的電流密度（A/cm2）。這一特性也使得GaN HEMT的開關(guān)時間僅為硅MOSFET翻轉(zhuǎn)時間的四分之一。由于寄生電阻和電極電阻的影響，所有半導(dǎo)體晶體管都會出現(xiàn)導(dǎo)通功率損耗，此外諸如電極間電容等其他因素也會導(dǎo)致功率損耗。這些損耗發(fā)生在每次開關(guān)晶體管時，并且與開關(guān)頻率和電機電流成正比。GaN HEMT的寄生電阻和電極電阻約為硅MOSFET的一半，電極間電容約為后者的五分之一。

這種差異表明，對于給定的開關(guān)頻率和電機電流，GaN HEMT的開關(guān)損耗約為硅MOSFET的10%至30%。IGBT在高頻下表現(xiàn)出比MOSFET更低的開關(guān)損耗，但效率仍遠低于GaN HEMT。GaN HEMT還有一項優(yōu)勢是這種晶體管不會遭受反向恢復(fù)電荷的影響。反向恢復(fù)電荷是指硅MOSFET從導(dǎo)通到關(guān)斷時剩余的少數(shù)載流子電荷的耗散，它會導(dǎo)致硅MOSFET的開關(guān)電流過沖（振鈴），從而可能導(dǎo)致EMI。GaN HEMT在電機設(shè)計中的使用GaN HEMT的電氣特性使其成為工程師們設(shè)計緊湊型、高壓和高頻電機的誘人主張。總體而言，這些設(shè)備具有以下優(yōu)點：

擊穿電壓高，有助于使用更高的輸入電壓（大于1000V）

電流密度高，使基于GaN的組件能夠在不降低功率處理能力的情況下縮小體積

具有快速開關(guān)能力，可實現(xiàn)電機的高頻（200kHz以上）工作

高頻工作，使輸出電流紋波得到限制，并且能夠減小濾波器組件的尺寸

開關(guān)損耗低，使功率耗散得到限制，并提高效率

耐高溫，能夠使用較小的散熱器

高水平集成，可以將GaN HEMT制造在芯片上（不同于硅功率組件）。

縮短材料清單（BOM），縮小解決方案尺寸，因為在電機驅(qū)動解決方案中，GaN HEMT可以處理續(xù)流電流，而不需要IGBT所需的反向并聯(lián)二極管。

這些優(yōu)勢使工程師能夠設(shè)計出高度緊湊的電機，其輸出功率與傳統(tǒng)電機相同，但體積不到傳統(tǒng)電機的一半，功耗也大大降低。GaN HEMT設(shè)計的關(guān)鍵缺點是對電路開發(fā)和測試方面專業(yè)知識的要求很高。

集成解決方案能夠利用好GaN HEMT的優(yōu)勢

直到最近，硅MOSFET和IGBT還保留著相對于GaN HEMT的一項關(guān)鍵優(yōu)勢——其廣泛的商業(yè)可用性。但時至今日，工程師們已經(jīng)可以輕松獲得GaN HEMT技術(shù)。更妙的是，一些硅供應(yīng)商現(xiàn)在提供了基于GaN HEMT的集成解決方案，從而簡化了高壓和高頻交流電機逆變級。以前，由于晶體管和驅(qū)動器組件基于不同的工藝技術(shù)，而且往往由不同的制造商提供，因此GaN HEMT被封裝成分立器件，并帶有獨立驅(qū)動器。這種做法的缺點是存在接合線，其寄生電阻和電感會增加開關(guān)損耗。將GaN HEMT和驅(qū)動器安裝在同一引線框架上可消除共源電感，這在快速開關(guān)（高di/dt）電路中尤為重要。多余的電感會產(chǎn)生振鈴，并可能導(dǎo)致電流保護機制發(fā)生故障。

集成封裝的第二個關(guān)鍵優(yōu)勢：驅(qū)動器中可以內(nèi)置熱傳感功能，以確保在出現(xiàn)過熱情況時，GaN HEMT在發(fā)生損壞之前關(guān)閉。Texas Instruments在其LMG3410R070 GaN功率級中提供GaN HEMT和驅(qū)動器集成。該公司將該產(chǎn)品描述為業(yè)界首款600V GaN驅(qū)動器產(chǎn)品。該器件是一個8mm × 8mm的四方扁平無引線（QFN）多芯片模塊（MCM），由一個集成20V串聯(lián)MOSFET的GaN HEMT和驅(qū)動器組成。其導(dǎo)通電阻非常低，僅為75mΩ。柵極驅(qū)動器具有內(nèi)置的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生關(guān)閉GaN HEMT所需的負電壓。

LMG3410 GaN功率級的關(guān)鍵優(yōu)勢在于其可以控制硬開關(guān)期間的壓擺率。這種控制對于限制印刷電路板（PCB）的寄生延滯和EMI非常重要。這款Texas Instruments產(chǎn)品采用可編程電流源來驅(qū)動GaN柵極，使壓擺率可以設(shè)置在30V/ns至100V/ns之間。LMG3410還包括一個有用的故障輸出，如果開關(guān)因故障事件而停止，可通知主機微控制器。

兩個半橋配置的緊湊型LMG3410 GaN功率級可提供快速硬開關(guān)、低開關(guān)損耗、低寄生電感和零反向恢復(fù)電荷，而這些正是設(shè)計人員驅(qū)動高功率密度電機各相所需的。

構(gòu)建高性能電機的驅(qū)動器

完整的交流電機驅(qū)動解決方案包含三個元素：整流器（AC/DC轉(zhuǎn)換器）、直流鏈路和逆變器（DC/AC轉(zhuǎn)換器）。

整流器通?；诙O管或晶體管拓撲結(jié)構(gòu)，將標準的50Hz或60Hz交流電源轉(zhuǎn)換為（近似）直流電源。來自整流器的直流電源經(jīng)過濾波后儲存在直流鏈路中，直到逆變器使用為止。然后，逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為三個正弦波PWM信號，每個信號驅(qū)動一個電機相位。直流電元件發(fā)揮了幾項關(guān)鍵作用：

濾除來自整流級的電流和電壓紋波

濾除可能損壞逆變器晶體管的整流器電壓瞬變

提高電路效率

限制可能會損壞晶體管的感應(yīng)電流

確保電力平穩(wěn)傳輸?shù)截撦d

直流鏈路電路由安裝在電機驅(qū)動器的整流器級和逆變器級之間的電源線上的單個電容器組成，雖然實現(xiàn)起來很簡單，但由于其對電機整體性能和效率的重要性，使得選擇高品質(zhì)組件變得至關(guān)重要。直流鏈路在具有高壓擺率（dV/dt）和高電壓峰值的挑戰(zhàn)性條件下工作，因此設(shè)計人員必須選擇能夠承受這種壓力的器件。KEMET KC-LINK電容器使用陶瓷（鋯酸鈣，CaO3Zr）電介質(zhì)和鎳內(nèi)電極，是一個很好的選擇，因為它們是專門為高壓、高頻直流鏈路應(yīng)用而設(shè)計的。

KC-LINK器件的關(guān)鍵特性是極低的等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。低ESR和ESL值有助于提高效率，特別是在高壓應(yīng)用中。此外，電容器還可以在下一代電機應(yīng)用中常見的高頻和高溫下工作。這些電容器可以承受高達10MHz的頻率，并且可以承受?55°C至150°C的溫度范圍。這些器件還具有不隨電壓變化而發(fā)生電容偏移的特點，并通過了汽車級認證。

結(jié)語

WBG半導(dǎo)體器件，例如用于電機逆變器的GaN HEMT和用于直流鏈路的高性能電容器等已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，滿足了設(shè)計人員對用于高功率密度電機驅(qū)動器的可靠元件的需求。這些關(guān)鍵組件將使設(shè)計人員能夠使用更緊湊、更輕巧、更便宜的電機來增強現(xiàn)有產(chǎn)品，同時將電機的使用擴展到廣泛的新應(yīng)用中。此外，新一代的高功率密度電機將大大降低能源需求，為綠色地球做出貢獻。

責任編輯：haq