用于電動機(jī)的GaN器件

新興的電子應(yīng)用要求電機(jī)設(shè)計能夠從更緊湊的平臺中獲得更高的性能。設(shè)計人員很難滿足基于傳統(tǒng)硅 MOSFET 和 IGBT 的電機(jī)驅(qū)動器電路的新要求。隨著硅技術(shù)達(dá)到功率密度、擊穿電壓和開關(guān)頻率的理論極限，設(shè)計人員更難控制功率損耗。這些限制的主要影響是在高工作溫度和高開關(guān)速率下的次優(yōu)效率和額外的性能問題。

考慮在 ≥ 40 kHz 的開關(guān)頻率下運(yùn)行的硅基功率器件。在這些條件下，開關(guān)損耗大于傳導(dǎo)損耗，對總功率損耗產(chǎn)生連鎖效應(yīng)。散發(fā)產(chǎn)生的多余熱量需要散熱器，從而增加了解決方案的重量、占地面積和成本。基于氮化鎵 (GaN) 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件具有卓越的電氣特性，是高壓和高開關(guān)頻率電機(jī)控制應(yīng)用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。我們在這里的討論集中在 GaN HEMT 晶體管在高功率密度電動機(jī)應(yīng)用的功率和逆變器級中提供的優(yōu)勢。

氮化鎵的好處

氮化鎵是一種寬帶隙 (WBG) 材料。因此，它的禁帶（對應(yīng)于電子從價帶傳遞到導(dǎo)帶所需的能量）比硅更寬：約 3.4 電子伏特，而硅則??為 1.12 eV。GaN HEMT 更高的電子遷移率轉(zhuǎn)化為更快的開關(guān)速度，因為通常在接頭中積累的電荷可以更快地分散。GaN 可實現(xiàn)更快的上升時間、更低的漏源導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 值以及更低的柵極和輸出電容，所有這些都有助于其低開關(guān)損耗和在高達(dá) 10 倍的開關(guān)頻率下工作的能力。硅。降低功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱、

圖 1：GaN 和硅

晶體管的整體器件損耗（圖片：德州儀器）

在高開關(guān)頻率下運(yùn)行的可能性使解決方案能夠減少占用空間、重量和體積，避免使用電感器和變壓器等笨重組件。圖 1 顯示了隨著開關(guān)頻率升高，采用硅和氮化鎵技術(shù)構(gòu)建的功率器件的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗趨勢線。對于這兩種材料，傳導(dǎo)損耗保持不變，而開關(guān)損耗增加。但是隨著開關(guān)頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開關(guān)損耗仍然明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT 的開關(guān)損耗，并且開關(guān)頻率越高，差異變得越明顯。

GaN HEMT 與傳統(tǒng)硅器件相比的主要優(yōu)勢是：

更高的壓擺率（dV/dt 為 100 V/ns 或更高），進(jìn)而支持更快的開關(guān)速率，從而降低開關(guān)損耗；

接近零的反向恢復(fù)電荷（因為 GaN HEMT 沒有本征體二極管，因此不需要反并聯(lián)二極管，并且降低了功率損耗和電磁干擾 [EMI] 效應(yīng)）；

在較高溫度（高達(dá)約 300 °C）下完全運(yùn)行而不影響開關(guān)能力；

更高的擊穿電壓（600 V 以上）；

在給定的開關(guān)頻率和電機(jī)電流下，開關(guān)損耗是硅 MOSFET 的 10% 到 30%；和

更高的效率、更小的占地面積和更輕的重量。

所有這些特性都有利于在高壓和高頻電動機(jī)的驅(qū)動器設(shè)計中使用 GaN HEMT 器件。借助 GaN HEMT，設(shè)計人員可以構(gòu)建具有與硅基設(shè)計相同的輸出特性但尺寸更緊湊且功率吸收更低的電動機(jī)。

高性能電機(jī)驅(qū)動

低電壓、低電感、高轉(zhuǎn)速無刷電機(jī)需要典型開關(guān)頻率在 40 kHz 到 100 kHz 之間的驅(qū)動電路，能夠最大限度地減少電機(jī)扭矩的損失和變化。驅(qū)動交流電機(jī)的常見解決方案，如圖 2 所示，包括 AC/DC 轉(zhuǎn)換器、DC 電路（在圖 2 中由電容器表示）和 DC/AC 轉(zhuǎn)換器（逆變器）。第一級通常基于二極管或晶體管，將 50-Hz/60-Hz 主電壓轉(zhuǎn)換為近似的直流電壓，隨后經(jīng)過濾波并存儲在直流電路中，供逆變器以后使用。最后，逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為三個正弦脈寬調(diào)制 (PWM) 信號，每個信號驅(qū)動一個電機(jī)相位。

圖 2：典型電機(jī)驅(qū)動器解決方案的簡化框圖
（圖片：德州儀器）

直流電路過濾來自 AC/DC 轉(zhuǎn)換器的電壓和電流，抑制可能損壞逆變器晶體管的電壓瞬變，減少可能損壞逆變器晶體管的感應(yīng)電流，穩(wěn)定提供給負(fù)載的電壓，并提高整體效率。電容器必須在特別關(guān)鍵的條件下運(yùn)行，例如高轉(zhuǎn)換率和高電壓峰值。因此，設(shè)計人員應(yīng)仔細(xì)選擇電容器以確保所需的高壓特性——例如，選擇賤金屬電極 (BME) 電容器。

集成電源解決方案

再次參考圖 2，GaN HEMT 晶體管通常用于實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動器逆變器級，這是高壓和高頻電機(jī)驅(qū)動器解決方案的最關(guān)鍵點。如今，幾種基于 GaN 技術(shù)的集成器件已上市。

例如，Navitas Semiconductor 的 NV6113 集成了 300-mΩ、650-V 增強(qiáng)型 GaN HEMT；柵極驅(qū)動器；和相關(guān)邏輯，全部采用 5 × 6 毫米 QFN 封裝。NV6113 可承受 200 V/ns 的壓擺率，并以高達(dá) 2 MHz 的頻率運(yùn)行。該器件針對高頻和軟開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化，創(chuàng)建了一個易于使用的“數(shù)字輸入、電源輸出”高性能動力系統(tǒng)構(gòu)建塊。電源 IC 將傳統(tǒng)拓?fù)洌ɡ绶醇な?、半橋式和諧振型）的功能擴(kuò)展到兆赫茲以上的開關(guān)頻率。NV6113 可以部署為典型升壓拓?fù)渲械膯蝹€設(shè)備，也可以并聯(lián)使用在流行的半橋拓?fù)渲小?/p>

德州儀器 (TI) 擁有廣泛的 GaN 集成功率器件產(chǎn)品組合。例如，LMG5200 集成了一個基于增強(qiáng)型 GaN FET 的 80V GaN 半橋功率級。該器件由兩個 GaN FET 組成，由一個采用半橋配置的高頻 GaN FET 驅(qū)動器驅(qū)動。為了簡化該器件的設(shè)計，TI 提供了 TIDA-00909，這是一種用于使用三相逆變器和三個 LMG5200 的高頻電機(jī)驅(qū)動器的參考設(shè)計。TIDA-00909 提供了一個兼容接口，用于連接到 C2000 MCU LaunchPad 開發(fā)套件，以便于進(jìn)行性能評估。

圖 3：TIDA-00909 框圖
（圖片：德州儀器）

圖 3 是三相 GaN 逆變器的系統(tǒng)框圖。紅色虛線定義了 TIDA-00909 的邊界。三個逆變器半橋中的每一個都采用集成的 80V、10A GaN 半橋模塊 (LMG5200)；5-mΩ 相電流分流器；和一個差分電流檢測放大器 (INA240)，增益為 20V/V，中點電壓為 1.65V，由 3.3V 基準(zhǔn) (VREF3333) 設(shè)置。

包括 GaN HEMT 在內(nèi)的寬帶隙半導(dǎo)體的商業(yè)可用性使設(shè)計人員能夠創(chuàng)建高效可靠的逆變器級來驅(qū)動高功率密度電動機(jī)。與硅基 MOSFET 和 IGBT 相比，GaN HEMT 可實現(xiàn)更高效、更緊湊、更輕、更經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動器。

審核編輯：劉清