使用 GaN 功率 IC 提高電機(jī)驅(qū)動的可靠性和性能

歐盟大約有 80 億臺電動機(jī)在使用，消耗了歐盟生產(chǎn)的近 50% 的電力。1由于提高效率和減少碳足跡是政府和行業(yè)的主要目標(biāo)，因此存在多項舉措來降低這些電機(jī)的耗電量。例如，許多家用電器能源標(biāo)簽的全球標(biāo)準(zhǔn)通過降低能耗以及可聽和電氣噪聲等來影響電器的設(shè)計。2另一個例子是歐洲引入了工業(yè)電機(jī)的效率等級，有效地切斷了低效率電機(jī)的市場。3,4因此，我們看到了感應(yīng)電機(jī)的興起，例如無刷直流 (BLDC) 電機(jī)，它們在相同的機(jī)械功率下體積更小、效率更高。5,6這些效率更高、性能更高的電機(jī)需要更復(fù)雜的電子設(shè)備才能運行。用于變速驅(qū)動器 (VSD) 或變頻驅(qū)動器的脈寬調(diào)制技術(shù)通過整流交流電源為電機(jī)創(chuàng)建脈沖三相電壓。這會提高性能，可以控制速度和扭矩，并對系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計產(chǎn)生積極影響。在高壓電網(wǎng)側(cè)實施有源功率因數(shù)校正（PFC），提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，這正在成為政府制定的更嚴(yán)格的法規(guī)（例如，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000）。

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由無橋圖騰柱 PFC、控制器和三相逆變器級組成的典型變速驅(qū)動器

硅 IGBT 很慢

幾十年來，VSD 一直使用 IGBT 作為其主要功率開關(guān)。這些傳統(tǒng)的硅晶體管堅固耐用且具有成本效益，但開關(guān)速度較慢且損耗相對較高，因此還有改進(jìn)的空間。對于許多消費類應(yīng)用，尤其是那些預(yù)期在室內(nèi)運行的應(yīng)用，需要高于 16 kHz 的開關(guān)頻率來降低可聽噪聲。由于其緩慢的反向恢復(fù)特性，這些更高的頻率對 IGBT 具有挑戰(zhàn)性，從而導(dǎo)致高開關(guān)損耗。硅 MOSFET 也已用于 VSD，但實現(xiàn)的功率密度低于 IGBT，盡管在滿載條件下開關(guān)損耗可以更低。MOSFET 的內(nèi)部體二極管恢復(fù)損耗也很差，這會增加總損耗。即使是專門設(shè)計的帶有快速恢復(fù)二極管的 MOSFET，通常也比 IGBT 產(chǎn)品中的快速恢復(fù)二極管更慢、更靈敏。在輕負(fù)載運行中，由于其線性電流-電壓關(guān)系，MOSFET 確實顯示出優(yōu)于 IGBT 的優(yōu)勢。

GaN 在電機(jī)驅(qū)動中的優(yōu)勢

通過在功率級中使用氮化鎵，可以在逆變器和電機(jī)以及整個系統(tǒng)中實現(xiàn)效率的下一個重要步驟。基于 GaN 的器件更接近理想開關(guān)，提供顯著降低的開關(guān)損耗并帶來許多不同的好處。

在大多數(shù)情況下，VSD 的效率相對較高，通常為 95% 到 97%，這比電機(jī)或被驅(qū)動的機(jī)械過程要高得多。老式電機(jī)的效率為 60%，而更現(xiàn)代的 BLDC 電機(jī)的工作效率為 80% 或更高。由于開關(guān)損耗非常低，這些效率更高的 VSD 系統(tǒng)可提供更好的電氣效率，從而降低系統(tǒng)成本，因為可以顯著減少甚至去除從電源開關(guān)中散熱所需的散熱器。在 VSD 的典型硬開關(guān)半橋中，具有零反向恢復(fù)損耗的 GaN IC 的較低開關(guān)損耗可以比 IGBT 或 MOSFET 低 4 到 5 倍，從而將總功率損耗降低50%。在低功率應(yīng)用中，這甚至可能意味著完全移除散熱器。散熱器級機(jī)加工鋁的價格為每公斤 6 至 8 美元——并在 2021 年達(dá)到 13 年來的最高水平——這對系統(tǒng)的成本影響很大。此外，減輕重量可降低運輸成本，進(jìn)一步降低總擁有成本。

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Navitas GaNFast IC 在所有開關(guān)頻率上都表現(xiàn)出較低的損耗，但隨著開關(guān)頻率的增加而顯著降低。（來源：納微半導(dǎo)體，計算）

硅 IGBT 和 MOSFET 表現(xiàn)出一種稱為反向恢復(fù)的現(xiàn)象，即它們的 pn 結(jié)在導(dǎo)通狀態(tài)下充滿電，而在關(guān)斷狀態(tài)下被掃出。恢復(fù)時間、恢復(fù)電荷和恢復(fù)電流都會影響反向恢復(fù)特性和開關(guān)損耗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)在開關(guān)狀態(tài)下出現(xiàn)不受控制的振鈴和電壓過沖和下沖。這同樣適用于級聯(lián) GaN 器件，因為附加的硅 MOSFET 與常開 GaN FET 相結(jié)合。

Navitas GaNFast IC 將驅(qū)動器與增強(qiáng)型 FET 集成在一起，其中二維電子氣密度產(chǎn)生電子遷移率。由于沒有有源 pn 結(jié)，因此不存在固有的體二極管，從而導(dǎo)致器件中沒有反向恢復(fù)電荷。這顯著降低了開關(guān)損耗，并在開關(guān)事件期間提供更平滑的電壓波形，同時具有最小的振鈴，從而提高性能和系統(tǒng)可靠性并降低系統(tǒng)成本。

由于沒有恢復(fù)電荷，GaNFast IC 成為硬開關(guān)設(shè)計的理想選擇，例如半橋拓?fù)?，其中在高?cè)和低側(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)換期間發(fā)生最低開關(guān)損耗。兩個開關(guān)之間所需的死區(qū)時間可以顯著縮短，從大約 2,000 ns 降至 50 ns。對于電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，這會顯著降低轉(zhuǎn)矩脈動和可聽噪聲，從而提高系統(tǒng)的使用壽命。7

自主、可靠的電源：GaNFAST 與 GanSENSE

硅和碳化硅中的 IGBT 和 MOSFET 以類似方式驅(qū)動。該器件在 10-20 V 的柵極驅(qū)動下開啟，通常關(guān)閉至 0 V 或負(fù)電壓以實現(xiàn)更高的功率水平。分立增強(qiáng)型 GaN 器件通常需要 5-7 V 的柵極驅(qū)動，并且可能還需要負(fù)電壓來關(guān)閉它們。如果沒有正確優(yōu)化，性能和可靠性都會受到影響。這是因為，雖然 GaN 是一種先進(jìn)材料，但分立 GaN FET 確實有一個致命弱點：一個必須小心驅(qū)動的柵極節(jié)點。如果柵極上的電壓過低，則 FET 沒有完全導(dǎo)通，因此導(dǎo)通電阻和損耗都很高。如果電壓太高，可能會損壞柵極。

為了解決這個問題，GaNFast 功率 IC 將 GaN 功率 (FET) 和 GaN 驅(qū)動以及控制和保護(hù)集成在一個表面貼裝封裝中。結(jié)果是可靠、易于使用、高速、高性能、“數(shù)字輸入、電源輸出”的構(gòu)建塊。自 2018 年初獲得認(rèn)證以來，GaNFast IC 已成為行業(yè)領(lǐng)先的快速和超快速移動充電器解決方案，客戶包括三星、戴爾、聯(lián)想和 LG。截至 2022 年 3 月，已出貨超過 4000 萬臺，與 GaN 相關(guān)的現(xiàn)場故障報告為零。

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Navitas 的完全集成 GaNFast 與 GaNSense IC 的簡化框圖結(jié)合了控制、驅(qū)動、傳感和保護(hù)功能。8,9

結(jié)果是優(yōu)化和可重復(fù)的逆變器性能，實現(xiàn)了出色的可靠性。電源開關(guān)可以通過簡單的數(shù)字信號進(jìn)行控制，去除大量外部元件，并提高尺寸和元件數(shù)量，甚至超越硅解決方案。8這對于緊湊型電機(jī)驅(qū)動器來說是個好消息，其中 VSD 的尺寸現(xiàn)在可以變得如此之小，以至于它可以很容易地裝入電機(jī)外殼中。

2021 年，采用 GaNSense 技術(shù)的新型 GaNFast 功率 IC 引入了系統(tǒng)感應(yīng)功能，例如過熱和過流檢測，以及自主自我保護(hù)能力。與分立硅或分立 GaN 方法相比，GaNSense 技術(shù)僅能在 30 ns 內(nèi)“檢測和保護(hù)”——比硅或 GaN 分立器件快 6 倍——提高了系統(tǒng)級可靠性。

無損電流檢測可以去除大而昂貴的分流電阻器，進(jìn)一步減小系統(tǒng)尺寸和成本，同時保持快速過流保護(hù)以提高系統(tǒng)穩(wěn)健性。這在用于工廠自動化的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動中非常重要，并有助于設(shè)計人員在其產(chǎn)品中實施功能安全概念。9

過溫保護(hù)電路可以對封裝中的電源開關(guān)進(jìn)行溫度測量，而散熱器上的溫度傳感器的精度要低得多。這對于許多工業(yè)和消費電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用很重要，在這些應(yīng)用中，冷卻系統(tǒng)可以通過液體流速或冷卻風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)整。內(nèi)置的過溫保護(hù)電路會在溫度過高的情況下關(guān)閉 GaN IC，從而保護(hù)系統(tǒng)。8

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表 1：GaNSense 的主要特性在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用的性能、效率和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢。

電機(jī)逆變器已經(jīng)以多種不同的方式實現(xiàn)，主要使用 IGBT 的低成本和電流處理能力。表 2 比較了當(dāng)今可用的方法（以分立 IGBT 作為基準(zhǔn)）：

智能電源模塊將一個柵極驅(qū)動器與六個電源開關(guān)組合在一個封裝中，從而節(jié)省系統(tǒng)尺寸和組件數(shù)量，同時減少設(shè)計工作。

硅 MOSFET，尤其是超結(jié) MOSFET，已在電機(jī)驅(qū)動中得到越來越多的使用，從而提高了輕負(fù)載效率。使用 SiC MOSFET 可以在全負(fù)載范圍內(nèi)獲得更好的效率，但會縮短短路耐受時間。

分立的 GaN FET 有助于進(jìn)一步降低功耗，但設(shè)計人員需要實現(xiàn)復(fù)雜的柵極驅(qū)動電路。GaN 級聯(lián)組件可以提供標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動，但代價是更高的功率損耗和成本。

具有 GaNSense 的 GaNFast IC 可實現(xiàn) GaN FET 的固有效率，而無需處理復(fù)雜的柵極驅(qū)動電路。無損電流感應(yīng)消除了分流電阻器并提高了效率、空間和成本，而集成保護(hù)電路可實現(xiàn)穩(wěn)健的逆變器解決方案，只需很少的設(shè)計工作。

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表 2：具有 GaNSense 的 GaNFast IC 將柵極驅(qū)動復(fù)雜性和自主保護(hù)與無損電流感應(yīng)相結(jié)合，提供緊湊、易于設(shè)計、穩(wěn)健的系統(tǒng)。

摘要：集成驅(qū)動性能

并非每個電機(jī)驅(qū)動器都是相同的，消費和工業(yè)應(yīng)用的趨勢集中在提高能效、性能、系統(tǒng)成本、總擁有成本以及減小尺寸和重量上。這對世界各地的設(shè)計團(tuán)隊來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，他們面臨著減少設(shè)計時間和上市時間同時改善最終客戶體驗的壓力。下一代電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)將利用 GaN FET 性能和先進(jìn)的傳感技術(shù)，提供必要的穩(wěn)健性和保護(hù)，讓您高枕無憂。

參考

1歐盟委員會?！半妱訖C(jī)和變速驅(qū)動器?！?/p>

2酷產(chǎn)品?！跋匆聶C(jī)?！?/p>

3 IEC 標(biāo)準(zhǔn) 60034（工業(yè)電機(jī)效率等級）。

4 EUR-Lex。委員會條例 (EU) 2019/1781。

5智能水雜志。（2019）。“格蘭富的智能水解決方案部署在阿聯(lián)酋的 7,000 多座別墅中?！?/p>

6 LG電子?！癓G AI DD?！?/p>

7美國專利 8390241（基于 III 氮化物設(shè)備的電機(jī)驅(qū)動）

8納微半導(dǎo)體?！斑m用于電動汽車、太陽能和工業(yè)的GaNFast電源IC解決方案?！?Bodo 的寬帶隙事件，2021 年 12 月。

9納微半導(dǎo)體。“GaNFast 架構(gòu)，大功率系統(tǒng)中的性能?！?Bodo 的寬帶隙事件，2021 年 12 月。

10納微半導(dǎo)體。（2021 年）。應(yīng)用筆記 AN-015。

11 IEC 標(biāo)準(zhǔn) 60730（消費者應(yīng)用中的功能安全）和 68100（工業(yè)裝置中的功能安全）。

——Alfred Hesener 是 Navitas Semiconductor 工業(yè)和消費部門的高級總監(jiān)

審核編輯 黃昊宇