電機設計中對于GaN HEMT的使用

電機設計中對于GaN HEMT的使用

GaN HEMT的電氣特性使得工程師們選擇它來設計更加緊湊、承受高壓和高頻的電動機，綜上所述這類器件有如下優點：

較高的擊穿電壓，允許使用更高（大于1000V）的輸入電壓

較高的電流密度，使得GaN組件在不降低功率的情況下設計得更緊湊

快速開關能力，支持高頻（200KHz及以上）電機運行

高頻操作，限制輸出電流波動，減小濾波器元件尺寸

降低開關功耗，限制功率損失，提供效率

耐高溫，允許使用較小的散熱器

高度集成，允許在芯片上集成GaN HEMT（與硅材料不同）

較少BOM材料，簡化設計方案，在電機驅動方案中GaN HEMT可以處理各種電流，而不需要IGBT所需的反向二極管。

這些優點讓工程師能夠設計出高度緊湊的電動機，其輸出功率與傳統電機相同，體積僅為傳統電機的二分之一，而且功耗低得多，唯一的缺點是GaN HEMT設計需要更高水平的電路開發和測試的專業知識。

集成解決方案最大限度的提高GaN HEMT器件帶來的好處

直到最近MOSFET和IGBT器件相比GaN HEMT的一個關鍵優勢是它們廣泛的商業可用性，但是現在工程師們已經能夠很容易的使用GaN HEMT技術了，更好的消息是硅供應商現在可以提供基于GaN HEMT的集成解決方案，大大簡化了高壓高頻交流電機的逆變器設計。

在此之前GaN HEMT被包裝成一個帶有獨立驅動的分立器件，因為晶體管和驅動元件是基于不同工藝技術的，而且通常由不同的制造商提供，這種的缺點是存在寄生電阻和電感之間的連接導線，增加了開關損耗。將GaN HEMT和驅動元件集成在相同的框架內可以消除共源電感，這在快速開關電路中尤其的重要，因為不需要的電感會產生振響，從而可能導致電流保護電路出現故障。集成封裝的第二個關鍵優點是可以在驅動元件中內置熱傳感器，確保在過熱情況下GaN HEMT損壞之前關閉。

TI（德州儀器）推出了一款基于GaN HEMT、高速驅動和保護機制的功率級器件LMG3410R070（圖2），這款產品是行業內首款600V GaN集成功率級器件，采用的是8mm X 8mm QFN封裝的多芯片模塊（MCM），方便工程師方案設計。導通電阻非常低，僅70mΩ，這款門驅動器內置了降壓/升壓轉換器，從而可以產生負電壓來關閉GaN HEMT。

圖2：TI推出的LMG3410R070功率級器件集成了GaN HEMT和驅動器（來源：德州儀器）

LMG3410R070 GaN功率級器件的一個關鍵優點是在硬切換時控制轉換速率，這種控制對于抑制PCB寄生電阻和EMI具有重要意義，TI這款產品采用可編程電流來驅動GaN門，使得轉換速率可以設定在30~100V/ns之間。

兩個LMG3410R070 GaN功率級器件可以組成半橋結構，實現快速的硬切換操作，降低開關損耗，消除寄生電感和反向電荷，這些都是設計人員驅動大功率電機不同階段所需要的（圖3）。

圖3：該應用電路原理圖展示了兩個TI GaN功率級器件組成的半橋結構，可以用來驅動三相電機的某一相（來源：德州儀器）

搭建高性能電機的驅動器

一個完整的交流電機驅動解決方案（圖4）有三個部分組成：整流器（交流/直流轉換器）、直流電路和逆變器（直流/交流轉換器）

圖4：該電機驅動解決方案原理圖說明了直流電路部分電容放置的位置。（來源：KEMET）

整流器通常是采用二極管或晶體管拓撲，將標準的50或60Hz的交流電源轉換為直流電源，整流器輸出的直流電源經過過濾并存儲在直流電路部分，然后輸入給逆變器，逆變器會將直流電源轉換成三個正弦的PWM信號，用來驅動三相交流電機。

直流電路部分起到的作用如下：

對整流器輸出的電壓和電流進行過濾

消除整流器輸出電壓的毛刺，否則可能會損壞逆變器的晶體管

提高電路效率

消除可能損壞晶體管的感應電流

確保電力能夠平穩傳輸到負載

直流部分通常采用單個電容器，設計在電機驅動電路的整流器和逆變器兩級之間，雖然直流部分易于實現，但是它對于電機的整體性能和效率的重要性使得元件的選擇至關重要。

直流部分的設計還是具有挑戰性的，涉及到高速率的電壓轉換(dV/dt)和高電壓峰值，因此設計人員要選擇能夠承受這種壓力的器件非常重要，KEMET推出的KC-LINK電容采用的是陶瓷（鋯酸鈣，CaO3Zr）材料和鎳電極，是非常好的選擇，它是專門為高壓、高頻電路而設計的。

KC-LINK器件的關鍵特性是非常低的等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL），這樣有助于提高系統效率，特別是在高壓應用中，此外電容能夠在高頻和高溫下工作這是下一代電機所必須的，電容器要能夠承受10MHz的頻率，溫度范圍從-55~150℃，該器件的另一個特性是電容不會隨電壓變化而發生漂移，這是經過AEC-Q200標準認證的。

總結

WBG半導體器件的商業可用性，比如電機逆變器的GaN HEMT和直流部分的高性能電容器正在不斷滿足設計人員對于大功率電機驅動的可靠性需求，這些關鍵部件讓設計人員能夠提升現有的產品，是電機變得更加緊湊、輕便而且價格更低，同時使得電機的使用范圍擴大到更廣泛的新型應用領域，此外新一代高功率電機將大大降低能源需求，為綠色地球作出貢獻。

關鍵要點

高頻高壓電機會增強功率，提升效率

電機應用中高頻驅動逆變器的快速切換如果采用傳統的MOSFET和IGBT會產生不可接受的損耗、

WBG半導體晶體管比如GaN能夠克服這些問題

集成GaN HEMT和驅動器方案現在已經可以應用于電機系統中

能夠承受高壓條件的高性能電容也可以應用到需要高壓高頻電機驅動電路的直流部分