如何利用 GaN 功率器件實現(xiàn)出色的中等功率電機變頻器

作者：Bill Schweber

對更高效利用能源的推動、更嚴格的法規(guī)要求以及低溫運行的技術優(yōu)勢，所有這些都為近來降低電機功耗的舉措提供了支持。雖然硅 MOSFET 等開關技術已得到廣泛應用，但它們往往無法滿足關鍵變頻器應用對性能和效率的更高要求。

氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙 (WBG) FET 器件技術，在成本、性能、可靠性和易用性方面都有很大改進和進步，設計人員可以利用 GaN 器件達成上述目標。GaN 器件現(xiàn)在已是主流，并已成為中等功率水平變頻器的首選。

本文探討了 [Efficient Power Conversion Corporation] (EPC) 的最新一代 GaN FET 如何幫助實現(xiàn)高性能電機變頻器。EPC 提供了評估板，可幫助設計人員熟悉 GaN 器件的特性并加速設計過程。

什么是變頻器？

變頻器的作用是生成和調節(jié)驅動電機，通常是無刷直流 (BLDC) 電機的功率波形。該器件通過控制電機的速度和扭矩，確保電機平穩(wěn)啟動和停止，實現(xiàn)反轉和加速率，以及滿足其他要求。變頻器還必須確保在負載發(fā)生變化時仍能實現(xiàn)并保持所需的電機性能。

請注意，不應將提供變頻輸出的電機變頻器與交流線路變頻器混淆。后者從汽車電池等電源中獲取直流電，提供固定頻率的 120/240 V 交流波形，該波形近似正弦波，可用于為線路供電的設備供電。

為什么要考慮 GaN？

與硅器件相比，GaN 器件具有更優(yōu)越的特性，包括更高的開關速度、更低的漏源導通電阻 (R DS(開) ) 和更好的熱性能。較低的 R DS(開) 使 GaN 器件能夠用于更小、更輕的電機驅動器，并降低功率損耗，從而在電動自行車和無人機等應用中節(jié)省能源和成本。較低的開關損耗會使電機驅動效率更高，從而延長輕型電動汽車 (EV) 的續(xù)航里程。較快的開關速度支持低延時電機響應，這對于機器人等需要精密電機控制的應用而言至關重要。GaN FET 還可用于開發(fā)功率更大、效率更高的叉車電機驅動器。GaN FET 具有更高的電流處理能力，因此可用于更大、功率更高的電機。

對于終端應用而言，最根本的好處是尺寸更小、重量更輕、功率密度和效率更高、熱性能更好。

GaN 入門

使用任何功率開關器件進行設計，尤其是針對中等電流和電壓的設計，都必須關注器件的細枝末節(jié)和獨有特性。GaN 器件的內部結構有兩種：耗盡型 (d-GaN) 和增強型 (e-GaN)。d-GaN 開關通常處于“接通”狀態(tài)，需要負電源，因此使用這種開關的電路設計較為復雜。相比之下，e-GaN 開關是通常處于“關斷”狀態(tài)的 MOSFET，因此電路架構更為簡單。

GaN 器件本身具有雙向性，一旦其兩端的反向電壓超過柵極閾值電壓，就會開始導電。此外，GaN 器件在設計上不支持雪崩工作模式，因此必須有足夠的額定電壓。對于降壓、升壓和橋式直流轉換拓撲，在最高 480 V 的母線電壓下，600 V 的額定電壓一般足以滿足要求。

雖然 GaN 開關的基本開/關功率切換功能很簡單，但它們是功率器件，因此設計人員必須仔細考慮導通和關斷驅動要求、開關時序、布局、寄生影響、電流控制以及電路板上的阻抗 (IR) 壓降。

對于許多設計人員來說，利用評估套件是了解 GaN 器件功能和使用方法的最有效方式。這些套件使用不同配置和功率水平的單個或多個 GaN 器件。套件還包括相關的無源元器件，例如：電容器、電感器、電阻器、二極管、溫度傳感器、保護器件和連接器。

首先介紹低功率器件

[EPC2065] 是低功率 GaN FET 的一個出色范例。其漏源電壓 (V DS ) 為 80 V，漏極電流 (I D ) 為 60 A，R DS(開) 為 3.6 mΩ。該器件僅以帶焊條的鈍化芯片結構提供，尺寸為 3.5 × 1.95 mm（圖 1）。

圖 1：80 V、60 A EPC2065 GaN FET 是帶一體式焊條的鈍化芯片器件。（圖片來源：EPC）

與其他 GaN 器件一樣，EPC2065 的橫向器件結構和多數(shù)載流子二極管可提供極低的總柵極電荷 (Q G ) 和零反向恢復電荷 (Q RR )。這些特性使其非常適合需要超高開關頻率（高達幾百千赫茲）和低導通時間的應用場景，以及導通損耗占主導地位的場景。

該器件有兩個類似的支持評估套件：[EPC9167KIT] 用于 20 A/500 W 的應用，而更大功率的 [EPC9167HCKIT] 用于 20 A/1 kW 的應用（圖 2）。兩者均為三相 BLDC 電機驅動變頻器評估板。

圖 2：EPC9167 評估板的底部（左）和頂部（右）。（圖片來源：EPC）

EPC9167KIT 的基本配置為每個開關位置使用單個 FET，每相可提供高達 15 A 有效值 （標稱值）和 20 A 有效值 （峰值）的電流。相比之下，電流更高的 EPC9167HC 配置在每個開關位置使用兩個并聯(lián) FET，可提供高達 20 A 有效值 /30A 有效值 （標稱值/峰值）的最大輸出電流，這表明 GaN FET 可相對容易地進行并聯(lián)配置，以獲得更高輸出電流。基礎 EPC9167 評估板的框圖如圖 3 所示。

圖 3：BLDC 驅動應用中的基礎 EPC9167 評估板框圖；較高功率的 EPC9167HC 每個開關并聯(lián)了兩個 EPC2065 器件，而較低功率的 EPC9167 每個開關只有一個 FET。（圖片來源：EPC）

EPC9167KIT 包含支持完整電機驅動變頻器的所有關鍵電路，包括柵極驅動器、用于輔助電源的穩(wěn)壓輔助電源軌、電壓檢測、溫度檢測、電流檢測和保護功能。

EPC9167 可與各種兼容控制器配合使用，并得到了許多制造商的支持。通過利用現(xiàn)有資源，可將其迅速配置為電機驅動變頻器或 DC-DC 轉換器，從而實現(xiàn)快速開發(fā)。在電機驅動應用中，該器件提供多相 DC-DC 轉換，支持高達 250 kHz 的脈寬調制 (PWM) 開關頻率；在非電機 DC-DC 應用中，其工作頻率可達 500 kHz。

現(xiàn)在來到更高功率

功率處理范圍的另一端是 [EPC2302] ，這是一款具有 100 V/101 A 額定值且 R DS(開) 僅為 1.8 mΩ 的 GaN FET。其非常適合 40 V 至 60 V 的高頻 DC-DC 應用和 48 V BLDC 電機驅動器。與 EPC2065 使用的帶焊條鈍化芯片封裝不同，這款 GaN FET 采用 3 × 5 mm 的低電感 QFN 封裝，頂部外露以實現(xiàn)出色的熱管理。

外殼頂部的熱阻很低，每瓦僅 0.2°C，因此熱行為優(yōu)異，化解了散熱難題。其裸露的頂部增強了頂部的熱管理，而可焊接側翼則保證了在回流焊過程中，整個側焊盤表面沾上焊料。這樣既能保護覆銅，又能在外部側翼區(qū)域進行焊接，便于光學檢查。

與具有類似 R DS（開） 和額定電壓的同類最佳硅 MOSFET 相比，EPC2302 的尺寸不到一半，而其 QG總和QGD則小得多，且 QRR為零。因此，開關損耗和柵極驅動器損耗更低。EPC2302 的空載時間小于 10 ns，工作效率更高，同時其零值 QRR增強了可靠性并減少了電磁干擾 (EMI)。

為了運行 EPC2302，[EPC9186KIT] 電機控制器/驅動器電源管理評估板支持高達 5 kW 的電機，可提供高達 150 A有效值和 212 A頂峰的最大輸出電流（圖 4）。

圖 4：EPC2302 的 EPC9186KIT 5 kW 評估板的頂部（左）和底部（右）。（圖片來源：EPC）

為了達到更高的額定電流，EPC9186KIT 在每個開關位置使用四個并聯(lián) GaN FET，這表明使用這種方法可以輕松達到更高的電流水平。在電機驅動應用中，該評估板支持高達 100 kHz 的 PWM 開關頻率，并包含支持完整電機驅動變頻器的所有關鍵功能，包括柵極驅動器、穩(wěn)壓輔助電源、電壓和溫度檢測、精確電流檢測和保護功能。

總結

電機變頻器是連接基本電源和電機的關鍵環(huán)節(jié)。設計更小尺寸、更高效率、更高性能的變頻器是一個日益重要的目標。針對用于中等功率變頻器的關鍵功率開關器件，設計人員固然有多種工藝技術選擇，但首選是 GaN 器件，例如 EPC 提供的此類器件。

審核編輯 黃宇