如何利用 GaN 功率器件實現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、更嚴格的法規要求以及低溫運行的技術優勢，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，確保電機平穩啟動和停止，實現反轉和加速率，以及滿足其他要求。變頻器還必須確保在負載發生變化時仍能實現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，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 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配置，以獲得更高輸出電流?；A 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，從而實現快速開發。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 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節。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