自主 GaN 功率 IC 提供高性能、可靠的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器?

歐盟大約有 80 億臺(tái)電動(dòng)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(xiàng)舉措來(lái)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(guò)降低能耗以及可聽(tīng)和電氣噪聲等來(lái)影響電器的設(shè)計(jì)。2另一個(gè)例子是歐洲引入了工業(yè)電機(jī)的效率等級(jí)，有效地切斷了低效率電機(jī)的市場(chǎng)。3,4因此，我們看到了感應(yīng)電機(jī)的興起，例如無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)，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(yùn)行。用于變速驅(qū)動(dòng)器 (VSD) 或變頻驅(qū)動(dòng)器的脈寬調(diào)制技術(shù)通過(guò)整流交流電源為電機(jī)創(chuàng)建脈沖三相電壓。這會(huì)提高性能，可以控制速度和扭矩，并對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)生積極影響。在高壓電網(wǎng)側(cè)實(shí)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）。?

由無(wú)橋圖騰柱 PFC、控制器和三相逆變器級(jí)組成的典型變速驅(qū)動(dòng)器?

硅 IGBT 很慢

幾十年來(lái)，VSD 一直使用IGBT作為他們的主電源開(kāi)關(guān)。這些傳統(tǒng)的硅晶體管堅(jiān)固耐用，成本效益高，但開(kāi)關(guān)速度慢，損耗相對(duì)較高，有改進(jìn)的余地。對(duì)于許多消費(fèi)類應(yīng)用，尤其是那些預(yù)期在室內(nèi)運(yùn)行的應(yīng)用，需要高于16 kHz的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低可聽(tīng)噪聲。這些更高的頻率對(duì)IGBT來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兊姆聪蚧謴?fù)特性很慢，導(dǎo)致高開(kāi)關(guān)損耗。硅MOSFET也已用于VSD，但實(shí)現(xiàn)的功率密度低于IGBT，即使在滿載條件下開(kāi)關(guān)損耗可以更低。MOSFET也可能具有非常差的內(nèi)部體二極管恢復(fù)損耗，這會(huì)增加總損耗。即使是專門設(shè)計(jì)的帶有快速恢復(fù)二極管的MOSFET也通常比IGBT產(chǎn)品中的快速恢復(fù)二極管更慢、更快。在輕負(fù)載操作中，由于其線性電流電壓關(guān)系，MOSFET確實(shí)顯示出優(yōu)于IGBT的優(yōu)勢(shì)。

GaN 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)在功率級(jí)中使用氮化鎵，可以在逆變器和電機(jī)以及整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)效率的下一個(gè)重要步驟?；?GaN 的器件更接近理想開(kāi)關(guān)，提供顯著降低的開(kāi)關(guān)損耗并帶來(lái)許多不同的好處。?

在大多數(shù)情況下，VSD 的效率相對(duì)較高，通常為 95% 到 97%，這比電機(jī)或被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械過(guò)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(kāi)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?yàn)榭梢燥@著減少甚至去除從電源開(kāi)關(guān)中散熱所需的散熱器。在 VSD 的典型硬開(kāi)關(guān)半橋中，具有零反向恢復(fù)損耗的 GaN IC 的較低開(kāi)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(jí)機(jī)加工鋁的價(jià)格為每公斤 6 至 8 美元——并在 2021 年達(dá)到 13 年來(lái)的最高水平——這對(duì)系統(tǒng)的成本影響很大。此外，減輕重量可降低運(yùn)輸成本，進(jìn)一步降低總擁有成本。?

Navitas GaNFast IC 在所有開(kāi)關(guān)頻率上都表現(xiàn)出較低的損耗，但隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加而顯著降低。（來(lái)源：納微半導(dǎo)體，計(jì)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?；謴?fù)時(shí)間、恢復(fù)電荷和恢復(fù)電流都會(huì)影響反向恢復(fù)特性和開(kāi)關(guān)損耗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下出現(xiàn)不受控制的振鈴和電壓過(guò)沖和下沖。這同樣適用于級(jí)聯(lián) GaN 器件，因?yàn)楦郊拥墓?MOSFET 與常開(kāi) GaN FET 相結(jié)合。?

Navitas GaNFast IC 將驅(qū)動(dòng)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(méi)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(méi)有反向恢復(fù)電荷。這顯著降低了開(kāi)關(guān)損耗，并在開(kāi)關(guān)事件期間提供更平滑的電壓波形，同時(shí)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(méi)有恢復(fù)電荷，GaNFast IC 成為硬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的理想選擇，例如半橋拓?fù)?，其中在高?cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間發(fā)生最低開(kāi)關(guān)損耗。兩個(gè)開(kāi)關(guān)之間所需的死區(qū)時(shí)間可以顯著縮短，從大約 2,000 ns 降至 50 ns。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，這會(huì)顯著降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和可聽(tīng)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(dòng)。該器件在 10-20 V 的柵極驅(qū)動(dòng)下開(kāi)啟，通常關(guān)閉至 0 V 或負(fù)電壓以實(shí)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(dòng)，并且可能還需要負(fù)電壓來(lái)關(guān)閉它們。如果沒(méi)有正確優(yōu)化，性能和可靠性都會(huì)受到影響。這是因?yàn)椋m然 GaN 是一種先進(jìn)材料，但分立 GaN FET 確實(shí)有一個(gè)致命弱點(diǎn)：一個(gè)必須小心驅(qū)動(dòng)的柵極節(jié)點(diǎn)。如果柵極上的電壓過(guò)低，則 FET 沒(méi)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(huì)損壞柵極。?

為了解決這個(gè)問(wèn)題，GaNFast 功率 IC 將 GaN 功率 (FET) 和 GaN 驅(qū)動(dòng)以及控制和保護(hù)集成在一個(gè)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(lái)，GaNFast IC 已成為行業(yè)領(lǐng)先的快速和超快速移動(dòng)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(guò) 4000 萬(wàn)臺(tái)，與 GaN 相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)故障報(bào)告為零。?

Navitas 的完全集成 GaNFast 與 GaNSense IC 的簡(jiǎn)化框圖結(jié)合了控制、驅(qū)動(dòng)、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(shí)現(xiàn)了出色的可靠性。電源開(kāi)關(guān)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)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(duì)于緊湊型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)是個(gè)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(guò)熱和過(guò)流檢測(cè)，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(cè)和保護(hù)”——比硅或 GaN 分立器件快 6 倍——提高了系統(tǒng)級(jí)可靠性。?

無(wú)損電流檢測(cè)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(shí)保持快速過(guò)流保護(hù)以提高系統(tǒng)穩(wěn)健性。這在用于工廠自動(dòng)化的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中非常重要，并有助于設(shè)計(jì)人員在其產(chǎn)品中實(shí)施功能安全概念。9

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

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

電機(jī)逆變器已經(jīng)以多種不同的方式實(shí)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(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器與六個(gè)電源開(kāi)關(guān)組合在一個(gè)封裝中，從而節(jié)省系統(tǒng)尺寸和組件數(shù)量，同時(shí)減少設(shè)計(jì)工作。?

硅 MOSFET，尤其是超結(jié) MOSFET，已在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中得到越來(lái)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(huì)縮短短路耐受時(shí)間。?

分立的 GaN FET 有助于進(jìn)一步降低功耗，但設(shè)計(jì)人員需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)電路。GaN 級(jí)聯(lián)組件可以提供標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)，但代價(jià)是更高的功率損耗和成本。?

具有 GaNSense 的 GaNFast IC 可實(shí)現(xiàn) GaN FET 的固有效率，而無(wú)需處理復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)電路。無(wú)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的逆變器解決方案，只需很少的設(shè)計(jì)工作。?

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

摘要：集成驅(qū)動(dòng)性能

并非每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都是相同的，消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用的趨勢(shì)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(duì)世界各地的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，他們面臨著減少設(shè)計(jì)時(shí)間和上市時(shí)間同時(shí)改善最終客戶體驗(yàn)的壓力。下一代電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(wú)憂。?

參考?

1歐盟委員會(huì)。“電動(dòng)機(jī)和變速驅(qū)動(dòng)器?！??

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(jí)）。?

4 EUR-Lex。委員會(huì)條例 (EU) 2019/1781。

5智能水雜志。（2019）?！案裉m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。“LG AI DD。”

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

8納微半導(dǎo)體。“適用于電動(dòng)汽車、太陽(yáng)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?！癎aNFast 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(fèi)者應(yīng)用中的功能安全）和 68100（工業(yè)裝置中的功能安全）。?

審核編輯 黃昊宇