開關頻率對直流母線電容器的影響

最近的研究表明，減少死區時間和增加開關頻率可以提高電機效率。
高開關頻率電機驅動逆變器只需陶瓷電容器即可優化直流母線所需的電容，從而減小轉換器的整體尺寸。此外，由于布局中的低電感直流母線陶瓷電容器和低電感分布，良好的布局允許額外移除靠近開關電池的去耦電容器。

進行了實驗測試，以證明先前使用無傳感器磁場定向控制技術操作永磁電機的陳述。

測試的氮化鎵電機驅動逆變器使用分立式FET和單片集成電路，這是通過氮化鎵技術實現的。

開關頻率對直流母線電容器的影響

電機驅動器中的直流母線電容器主要用于最小化電源電壓的波動。電機驅動逆變器中使用的直流母線電容器主要有兩種類型是電解電容器和陶瓷電容器。電解電容器的單位電容成本低于陶瓷電容器，但物理尺寸更大，等效串聯電阻和電感 （ESL） 更高。電解電容器通常根據它們可以承載的RMS紋波電流進行設計。

基于GaN FET的逆變器的工作開關頻率高于基于硅MOSFET的逆變器，因此可以僅在直流母線上使用陶瓷電容器。陶瓷電容器的尺寸基于紋波電壓要求，紋波電壓要求與轉換器的開關頻率成反比，從而在增加開關頻率時按比例降低所需的總電容。較少數量的直流鏈路電容器降低了逆變器的總成本和體積。

* 圖1. 直流母線上使用陶瓷電容器的三個逆變器的直流母線上的電壓紋波與PWM開關頻率的關系。90 μF逆變器上100 kHz時的電壓紋波略低于工作在20 kHz下的360 μF逆變器的電壓紋波，顯示了提高電機驅動逆變器PWM頻率的好處。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

陶瓷電容器的另一個優點是其固有的低寄生電感（ESL）。良好的布局和低ESL使其成為低電感電壓源，這是開關電源轉換器的關鍵因素。

如圖1所示，當以較高的PWM頻率進行開關時，由陶瓷電容器制成的直流母線的紋波電壓效率很明顯。這表明，使用90 μF逆變器以100 kHz開關的電壓紋波低于在20 kHz下工作頻率為360 μF電容的逆變器的電壓紋波。

開關轉換測量和開關單元優化

當今功率轉換器的基本構建模塊是開關單元，它由兩個晶體管組成，它們以級聯方式放置在直流總線的端子上，形成一個電源環路。PCB上的走線、過孔以及元件與PCB的所有連接都會在開關單元中引入寄生電感。

電源環路電感可以建模為開關單元端子與直流母線電壓之間存在的寄生電感[3]。電源環路負責硬開關轉換后振鈴，這可能會導致器件過壓并出現 EMI 問題。用于最小化電源環路電感的最常用方法是將去耦陶瓷電容器電放置在每個開關電池的晶體管附近。

在電機驅動應用中，開關轉換壓擺率通常保持在較低水平，dv/dt 低于 10 V/ns。與高壓擺率轉換相比，慢速轉換產生的振鈴更少，并且需要靠近開關電池的去耦電容更少。憑借良好的PCB布局，直流母線陶瓷電容器可以為開關電池提供低電感連接。

作為實驗評估，對兩塊EPC的電機驅動逆變器板進行了測試;EPC9145 [4] 使用分立式 EPC2206 [5] GaN FET，EPC9173 [6] 使用EPC23101 [7] 單片集成柵極驅動器和 FET GaN IC。

EPC9145電機驅動逆變器配備了一個由陶瓷電容器組成的大容量直流母線和兩個同樣由陶瓷電容器組成的開關電池去耦電容器。第一塊板配備9個220 nF高頻環路去耦電容和16個1 μF中頻去耦電容，而第二塊板沒有去耦電容，僅使用大容量直流母線電容工作。

逆變器以 100 kHz 開關頻率運行，并以 50 A 峰值正弦電流驅動具有磁場定向控制的永磁電機。

圖2中的波形顯示了在50 A正相電流和負相電流下測量的上升和下降轉換。去耦電容后，上升轉換的差異被認為很小，對逆變器操作的影響很小。下降的過渡差異幾乎可以忽略不計。在未配備去耦電容器的逆變器的情況下，過沖永遠不會超過總線電壓的25%。

* 圖2. 顯示以100 kHz運行的逆變器的正相電流和負相電流下測量的上升和下降轉換的波形，用于驅動永磁電機。藍色波形是配備許多去耦電容器的逆變器。紅色波形是沒有任何去耦電容的逆變器。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

使用基于EPC9173 GaN IC的電機驅動逆變器進行了相同的實驗。單片GaN功率IC將柵極驅動器和功率FET集成到同一芯片上，有效地消除了共源電感（CSI）[3]，簡化了開關電池的布局，并將寄生環路電感保持在最低水平。

基于集成電路的逆變器在正和負50 A峰值電流下測量的開關轉換波形如圖3所示。

* 圖3. 在基于集成電路的逆變器上以正負50 A峰值電流測量開關轉換波形。藍色波形是配備許多去耦電容器的逆變器。紅色波形是沒有任何去耦電容的逆變器。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

單片式集成GaN功率IC最大限度地降低了半橋開關單元中的共源寄生電感，從而減少了對外部去耦電容器的需求，包括基于分立GaN FET的逆變器。

電容器類型對開關節點轉換的影響

當平面交錯以消除返回電流磁通量時，用于直流母線的陶瓷電容器可以產生與PCB上的開關轉換器單元的低電感連接，覆蓋大面積，并在電容器的內部連接附近施加過孔。

在兩個裝有不同直流母線電容器類型的GaN FET逆變器之間進行實驗。第一個逆變器配備了2個47 μF SMD電解電容，開關電池上沒有去耦電容。第二個逆變器配備了9x 10 μF多層陶瓷電容器。選擇電容值以產生相似的標稱直流母線電容。

圖4顯示了在50 A峰值正相和負相電流下工作的兩個逆變器的上升轉換的測量波形。配備陶瓷電容器的逆變器幾乎沒有電壓過沖和振鈴，在50 ns內衰減。配備電解電容器的逆變器會經歷持續數百納秒的顯著電壓過沖和振鈴。

* 圖4. 使用90 μF直流母線陶瓷和電解電容器在50 A峰值正負相電流下工作的逆變器上升轉換的測量波形。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

根據所進行的實驗，很明顯，在試圖消除開關電池的陶瓷去耦電容器時，電解電容器不是基于GaN FET和IC的電機驅動逆變器的好選擇。實驗中使用的電解電容器是低ESL和低ESR電容器，仍然不足以滿足應用需求。

氮化鎵場效應晶體管和集成電路的要點

GaN FET和IC可以有效地用于設計優化和高效的電機驅動逆變器。

由于GaN器件具有優異的開關性能，因此可以通過減少元件數量來優化使用這些器件的逆變器，從而比基于較低頻率MOSFET的逆變器減小逆變器的整體體積。以更高的頻率開關允許在直流母線中使用純陶瓷電容器，這不僅減小了輸入濾波器的體積，而且提供了去除開關電池上的高頻去耦電容器的選項。

優化的電機驅動GaN逆變器具有90 μF直流鏈路陶瓷電容器，沒有任何去耦電容器，工作頻率為100 kHz，可以平穩驅動峰值正弦相電流為50 A的永磁電機。