GaN功率器件在工業(yè)電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

電機(jī)控制，尤其是頻率控制驅(qū)動(dòng)器，是一種近年來(lái)發(fā)展迅速的技術(shù)，這是由于電機(jī)在各種應(yīng)用中的廣泛使用以及巨大的節(jié)能潛力。用于電機(jī)控制的基于框架的電源模塊在對(duì)成本、尺寸和性能特別敏感的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了重大變革。

新興電子應(yīng)用需要能夠從緊湊型平臺(tái)中提取更高性能的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。依靠經(jīng)典硅 MOSFET 和 IGBT 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路正在努力滿足新標(biāo)準(zhǔn)。隨著硅技術(shù)接近功率密度、擊穿電壓和開(kāi)關(guān)頻率的理論極限，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越難以控制功率損耗。這些限制的主要后果是在高工作溫度和開(kāi)關(guān)速率下效率降低和額外的性能問(wèn)題。

考慮一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率≥40 kHz 的硅基功率器件。在這些條件下，開(kāi)關(guān)損耗大于傳導(dǎo)損耗，對(duì)整體功率損耗產(chǎn)生級(jí)聯(lián)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) 器件具有出色的電氣特性，是高壓和高開(kāi)關(guān)頻率電機(jī)控制應(yīng)用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。我們?cè)谶@里的討論集中在 GaN HEMT 晶體管在高功率密度電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的功率和逆變器級(jí)中提供的優(yōu)勢(shì)。

尺寸和能源效率對(duì)于機(jī)器人和其他工業(yè)用途的電機(jī)很重要，但其他因素也發(fā)揮了作用。GaN 解決方案可實(shí)現(xiàn)更高的脈寬調(diào)制 (PWM) 頻率，而低開(kāi)關(guān)損耗有助于驅(qū)動(dòng)具有極低電感的永磁電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。這些功能還可以最大限度地減少扭矩波動(dòng)，以在伺服驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)中進(jìn)行精確定位，從而使高速電機(jī)能夠在無(wú)人機(jī)等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高電壓。

氮化鎵的好處

GaN是一種寬帶隙材料。結(jié)果，它的禁帶（電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶所需的能量）比硅的禁帶寬得多：大約為 3.4 eV 和 1.12 eV。因?yàn)橥ǔＴ诮宇^中積聚的電荷可能會(huì)更快消散，所以 GaN HEMT 增強(qiáng)的電子遷移率與更快的開(kāi)關(guān)速度相關(guān)。

GaN 的低開(kāi)關(guān)損耗和在比硅高 10 倍的開(kāi)關(guān)頻率下工作的能力是由于其更短的上升時(shí)間、更低的漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 值以及更低的柵極和輸出電容. 在高開(kāi)關(guān)頻率下工作的能力允許更小的占位面積、重量和體積，并消除了對(duì)電感器和變壓器等笨重組件的需求。隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開(kāi)關(guān)損耗仍然遠(yuǎn)低于硅 MOSFET 或 IGBT 的開(kāi)關(guān)損耗，并且開(kāi)關(guān)頻率越高，差異越明顯。

綜上所述，GaN 器件在多個(gè)方面優(yōu)于傳統(tǒng)的硅基功率器件，包括：

GaN 的擊穿場(chǎng)比硅高 10 倍以上（3.3 MV/cm 對(duì) 0.3 MV/cm），允許基于 GaN 的功率器件在損壞之前支持 10 倍高的電壓。

在相同的電壓值下運(yùn)行，GaN 器件表現(xiàn)出較低的溫度并產(chǎn)生較少的熱量。因此，它們可以在比硅更高的溫度（高達(dá) 225°C 及以上）下工作，而硅受到其較低的結(jié)溫（150°C 至 175°C）的限制。

由于其固有結(jié)構(gòu)，GaN 可以在比硅更高的頻率下開(kāi)關(guān)，并提供低 R DS(on)和出色的反向恢復(fù)。這反過(guò)來(lái)又會(huì)產(chǎn)生高效率，同時(shí)減少開(kāi)關(guān)和功率損耗。

作為 HEMT，GaN 器件具有比硅器件更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而允許更小的裸片尺寸和更小的占位面積。

電機(jī)控制解決方案

驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的常見(jiàn)解決方案包括交流/直流轉(zhuǎn)換器、直流電路和直流/交流轉(zhuǎn)換器（逆變器）。第一級(jí)通?；?a target="_blank">二極管或晶體管，將 50-Hz/60-Hz 主電壓轉(zhuǎn)換為近似直流電壓，隨后將其過(guò)濾并存儲(chǔ)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(gè)正弦 PWM 信號(hào)，每個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)相位。GaN HEMT 晶體管通常用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器逆變器級(jí)，這是高壓和高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案的最關(guān)鍵點(diǎn)。

例如， EPC 的EPC2152是一種集成在一個(gè)封裝中的驅(qū)動(dòng)器和 eGaN FET 半橋功率級(jí) IC，它基于該公司的專利 GaN IC 技術(shù)。單片芯片包含輸入邏輯接口、電平轉(zhuǎn)換、自舉充電和柵極驅(qū)動(dòng)緩沖電路，以及配置為半橋的 eGaN 輸出 FET。高集成度使緊湊的 3.85 × 2.59 × 0.63-mm 封裝尺寸成為芯片級(jí) LGA 外形尺寸。在半橋拓?fù)渲校瑑蓚€(gè) eGaN 輸出 FET 旨在具有相同的 R DS(on)。使用帶有 eGaN FET 的片上柵極驅(qū)動(dòng)緩沖器幾乎消除了共源極電感和柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感的影響（參見(jiàn)圖 1）。基于來(lái)自驅(qū)動(dòng)輸出 FET 的反饋對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行內(nèi)部調(diào)節(jié)可確保安全的柵極電壓電平，同時(shí)仍將輸出 FET 導(dǎo)通至低 R DS(on)狀態(tài)。

圖 1：EPC2152 的功能圖（來(lái)源：EPC）

另一個(gè)例子是來(lái)自 GaN Systems 的GS-065-004-1-L增強(qiáng)型 GaN-on-silicon 功率晶體管。GaN 的特性允許高電流、高電壓擊穿和高開(kāi)關(guān)頻率。GaN Systems 實(shí)施了其獲得專利的 Island Technology 單元布局，以實(shí)現(xiàn)高電流芯片性能和良率。GS-065-004-1-L 是一款底部冷卻晶體管，采用 5 × 6-mm PDFN 封裝，具有低結(jié)殼熱阻。這些特性結(jié)合起來(lái)提供了非常高效的電源開(kāi)關(guān)。

Navitas Semiconductor 的NV6113將 300-mΩ、650-V 增強(qiáng)型 GaN HEMT、柵極驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)邏輯集成在 5 × 6-mm QFN 封裝中。NV6113 可以承受 200 V/ns 的壓擺率，工作頻率高達(dá) 2 MHz。該器件針對(duì)高頻和軟開(kāi)關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化，創(chuàng)建了一個(gè)易于使用的“數(shù)字輸入、電源輸出”高性能動(dòng)力總成構(gòu)建塊。該電源 IC 將傳統(tǒng)拓?fù)洌ɡ绶醇な?、半橋式和諧振型）的功能擴(kuò)展到兆赫頻帶以上的開(kāi)關(guān)頻率。NV6113 可以作為單個(gè)器件部署在典型的升壓拓?fù)渲?，也可以并行部署在流行的半橋拓?fù)渲小?/p>

圖2：Navitas Semiconductor的NV6113典型應(yīng)用電路（來(lái)源：Navitas Semiconductor）

Texas Instruments Inc. 提供廣泛的 GaN 集成功率器件產(chǎn)品組合。例如，LMG5200集成了一個(gè)基于增強(qiáng)型 GaN FET 的 80V GaN 半橋功率級(jí)。該器件由兩個(gè) GaN FET 組成，由一個(gè)采用半橋配置的高頻 GaN FET 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。為簡(jiǎn)化該器件的設(shè)計(jì)，TI 提供了 TIDA-00909，這是一種使用三相逆變器和三個(gè) LMG5200 的高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的參考設(shè)計(jì)。TIDA-00909 提供了一個(gè)兼容接口，用于連接到 C2000 MCU LaunchPad 開(kāi)發(fā)套件，以便于進(jìn)行性能評(píng)估。

GaN 與 SiC

由于節(jié)能、尺寸減小、集成選項(xiàng)和可靠性等特性，在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中使用碳化硅 (SiC) 器件是一項(xiàng)重大突破。除其他外，現(xiàn)在可以在逆變器電路中為連接的電機(jī)采用最佳開(kāi)關(guān)頻率，這對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)具有重要意義。

在主動(dòng)冷卻以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體損耗是性能和可靠性的關(guān)鍵方面的解決方案中，高達(dá) 80% 的損耗降低可能會(huì)改變游戲規(guī)則。一個(gè)例子是基于 SiC 的CoolSiC MOSFET，采用 XT 連接技術(shù)，采用英飛凌科技的 1,200-V 優(yōu)化 D2PAK-7 SMD 封裝，以小尺寸提供有吸引力的熱性能。這種組合允許在伺服驅(qū)動(dòng)器等高密度電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)被動(dòng)冷卻，從而使機(jī)器人和自動(dòng)化行業(yè)能夠創(chuàng)建免維護(hù)和無(wú)風(fēng)扇電機(jī)逆變器。自動(dòng)化中的無(wú)風(fēng)扇解決方案開(kāi)辟了新的設(shè)計(jì)可能性，因?yàn)樗鼈児?jié)省了維護(hù)和材料方面的金錢(qián)和時(shí)間。由此產(chǎn)生的小系統(tǒng)尺寸使其適合于機(jī)械臂中的驅(qū)動(dòng)集成。

與具有相似額定值的 IGBT 相比，在相同的外形尺寸下可以實(shí)現(xiàn)更高的電流，具體取決于為 CoolSiC 選擇的電源類型，同時(shí)仍保持恒定的結(jié)溫，這在 SiC MOSFET 的情況下顯著降低（約 40-60 K）與 IGBT（105 K）相比。對(duì)于給定的器件尺寸，SiC MOSFET 允許在沒(méi)有風(fēng)扇的情況下驅(qū)動(dòng)更高的電流。

結(jié)論

電動(dòng)機(jī)幾乎遍布現(xiàn)代文明的方方面面，從我們?cè)诩抑泻蛷N房使用的電氣設(shè)備到我們駕駛的汽車（包括汽油動(dòng)力、混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車）以及生產(chǎn)我們智能手機(jī)的工廠. 盡管有些電機(jī)非常簡(jiǎn)單，有些電機(jī)非常復(fù)雜，但它們都有一個(gè)共同點(diǎn)：它們都需要被控制。

其他電機(jī)應(yīng)用，例如當(dāng)今工業(yè)廠房中的應(yīng)用，需要復(fù)雜的電機(jī)控制來(lái)提供高精度和高速電機(jī)控制活動(dòng)。在直流和電池供電的電機(jī)應(yīng)用中，傳統(tǒng)的硅 MOSFET 和低 PWM 頻率逆變器正在逐步淘汰，取而代之的是基于 GaN 的高 PWM 頻率逆變器。好處包括提高系統(tǒng)效率和消除大型無(wú)源元件 - 即電解電容器和輸入電感器。

　　審核編輯：湯梓紅