氮化鎵晶體管簡化大電流電機驅(qū)動逆變器設(shè)計

叉車應(yīng)用的逆變器由 24 V 至 120 V 之間的直流電壓供電，可提供高達 900 ARMS 電機相電流。通常，每個生產(chǎn)商都有一個平臺方法，并銷售按電壓范圍劃分的產(chǎn)品系列，其中逆變器的大小取決于在瞬態(tài)期間（例如，2分鐘）可以實現(xiàn)的最大電流。

這些應(yīng)用的典型逆變器包含在IP65等級的外殼（例如：150 mm x 120 mm x 60 mm）中，并帶有厚鋁底板。在外殼內(nèi)部，功率晶體管通過熱和機械連接到鋁基板的絕緣金屬基板 （IMS） 板上。IMS板上方是一個超高密度PCB，帶有柵極驅(qū)動器、模擬信號調(diào)理、電源和至少兩個微處理器，一個專用于功能，另一個專用于安全。需要一定數(shù)量的并聯(lián)晶體管來處理電流和導通和開關(guān)耗散產(chǎn)生的熱量。

目前，硅MOS技術(shù)主導著市場，對可并行使用的最大器件數(shù)量、最大PWM開關(guān)頻率和互補開關(guān)之間的死區(qū)時間施加了限制。第一個約束限制了最大電流，而另外兩個約束降低了電機效率。借助GaN技術(shù)，這種情況正在不斷發(fā)展。

氮化鎵優(yōu)勢

半導體材料中的臨界場決定了器件的擊穿電壓。對于給定的擊穿電壓，電場越高，漂移區(qū)域的寬度越短。在GaN晶體管中，臨界場比硅高一個數(shù)量級，二維電子氣體（2DEG）產(chǎn)生的電子遷移率使得導通電阻低，同時保持其尺寸小。

氮化鎵技術(shù)是平面的;對于給定的導通電阻，這些器件的電容比硅器件低約一個數(shù)量級。更小的尺寸和電容允許在同一基板上并聯(lián)更多器件以處理更多電流。此外，較小的電容有助于提高PWM頻率并減少死區(qū)時間，從而提高電機效率。

簡化電機驅(qū)動應(yīng)用中氮化鎵晶體管的布局

氮化鎵晶體管的開關(guān)速度比等效的硅MOSFET快。但是，權(quán)力越大，責任越大：布局必須精心設(shè)計。漏源電源環(huán)路電路和柵源環(huán)路電路對寄生電感很敏感。這對于開關(guān)頻率必須在200 kHz以上的功率轉(zhuǎn)換器中非常重要。電機驅(qū)動GaN逆變器的開關(guān)頻率高達100 kHz，開關(guān)dv/dt設(shè)置為小于10 V/ns，以兼容電機繞組絕緣高頻擊穿要求。雖然大多數(shù)布局考慮因素仍然成立，但其他考慮因素可以在不影響最終結(jié)果的情況下放寬。

氮化鎵場效應(yīng)管基本布局指南

在不影響模塊化的情況下，降低寄生電感并遵循對稱方法至關(guān)重要。三種類型的寄生電感會對逆變器運行產(chǎn)生不利影響，如圖1所示：

1. 共源寄生電感（CSI）（圖1綠色框）：GaNFET柵極信號的返回路徑必須與源極焊盤中的高電流路徑分開。這種寄生電感對轉(zhuǎn)換器工作有最大的不利影響，也是設(shè)計評審中最常見的錯誤。EPC GaN FET 沒有專用的開爾文柵極回路連接，因此必須在 PCB 布局中進行此連接 [1]。
2. 電源回路寄生電感（L 圈 ）（圖1棕色框）：包含DC+和GND的高頻電流環(huán)路必須具有低電感以減少振鈴，這會導致?lián)p耗和相關(guān)的EMI產(chǎn)生。GND平面的內(nèi)部垂直布局已被證明會產(chǎn)生最低的電感布局[3]。
3. 柵極環(huán)路寄生電感（L 門 ）（圖 1 洋紅色盒）：GaN FET 柵極的推薦電壓額定值和最大額定電壓比硅 MOSFET 更嚴格;因此，必須特別注意柵極信號路徑，該路徑必須始終與柵極回路配對。這是設(shè)計評審中遇到的第二個最常見的錯誤。并聯(lián)FET時，所有柵極路徑應(yīng)具有相同的阻抗（即相同的長度），以匹配每個柵極的電壓幅度和傳播。

* 圖1. 寄生電感：（1） CSI，（2） 電源環(huán)路，（3） 柵極環(huán)路。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖2. 并聯(lián) a） 晶體管與 b） 半橋。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

這些規(guī)則的一個結(jié)果是，對于高頻GaN轉(zhuǎn)換器，通常并聯(lián)半橋而不是并聯(lián)晶體管。示例如圖 2 所示。但是，EPC9186參考設(shè)計采用并演示了一種更簡單的方法，因為電機驅(qū)動器的開關(guān)速度比高頻轉(zhuǎn)換器慢。

EPC9186布局方法

EPC發(fā)布了幾款使用GaN FET和GaN集成電路的電機驅(qū)動逆變器參考設(shè)計板。所有參考設(shè)計板共享相同的框圖和控制器連接器，以幫助設(shè)計人員在逆變器系列的設(shè)計階段擴大電流和電壓。

新EPC9186尺寸為10 cm x 13.5 cm，是額定電壓為100 V和150 ARMS穩(wěn)態(tài)相電流的電機驅(qū)動逆變器的功率部分。它包括一個 10 層 2 oz FR4 PCB 和輔助電源，可從直流母線、相電壓、電流檢測電路和過流保護比較器產(chǎn)生 5 V 和 3.3 V。EPC9186電機驅(qū)動逆變器可與EPC9147x控制器配對，允許設(shè)計人員使用他們喜歡的運動控制器。

EPC9186開關(guān)電池有四個并聯(lián)的EPC2302晶體管，采用簡化的布局放置，放寬了并聯(lián)GaN FET設(shè)計規(guī)則。柵極驅(qū)動器位于開關(guān)單元的左側(cè);低側(cè)和高側(cè)GaN FET排成兩排，朝向相位輸出連接器。

圖3顯示了EPC9186板和開關(guān)單元的細節(jié)，其中L1和H1是最接近柵極驅(qū)動器的低側(cè)和高邊晶體管，L4和H4是離柵極驅(qū)動器最遠的晶體管。電機相位輸出連接器如圖所示。

圖3.EPC9186 100 V， 150 A有效值每相電機驅(qū)動板。切換右側(cè)的單元格詳細信息。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]

此布局部分遵循上一節(jié)中給出的內(nèi)部垂直布局規(guī)則 b）;也就是說，第一內(nèi)層是GND連接，以最小化電源環(huán)路電感，但是，由于開關(guān)DV / DT較低，開關(guān)單元沒有高頻電容器。EPC9186中沒有嚴格遵循所有柵極信號具有相同長度的通用準則，因為柵極路徑長度隨著與柵極驅(qū)動器的距離而增加。柵極信號封裝在相應(yīng)柵極信號回路的兩層內(nèi)，用作屏蔽。這兩層連接到每個晶體管的單個開爾文點，以降低共源電感。

EPC9186實驗結(jié)果

實驗測試表明，簡化開關(guān)電芯功率部分布局方法不會損害逆變器性能。圖4顯示了所有晶體管中的干凈柵極信號，與柵極驅(qū)動器的距離無關(guān)。圖5顯示了穩(wěn)態(tài)相電流能力與可接受的溫升的函數(shù)關(guān)系。穩(wěn)態(tài)電流取決于熱條件，電路板使用由400 LFM氣流冷卻的散熱器進行測試。

* 圖4. 在+100 A和?80 A電機相電流下，柵極信號為H1-L1與H4-L4。時間 50 納秒/格圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖5. EPC9186電流與溫度和頻率的關(guān)系。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

結(jié)論

EPC GaN FET 器件比硅 MOSFET 小，并且對外殼的熱阻較低，允許雙面冷卻。它們允許并聯(lián)更多設(shè)備，可以在相同的逆變器外殼體積內(nèi)傳導更多電流，同時表現(xiàn)出卓越的熱管理。這有利于電池供電的工業(yè)車輛，如叉車、手動搬運機或倉庫自動車輛，這些車輛需要更小體積的更高電流。