GaN功率器件在工業電機控制領域的應用

電機控制，尤其是頻率控制驅動器，是一種近年來發展迅速的技術，這是由于電機在各種應用中的廣泛使用以及巨大的節能潛力。用于電機控制的基于框架的電源模塊在對成本、尺寸和性能特別敏感的應用領域發生了重大變革。

新興電子應用需要能夠從緊湊型平臺中提取更高性能的電動機設計。依靠經典硅 MOSFET 和 IGBT 的電機驅動器電路正在努力滿足新標準。隨著硅技術接近功率密度、擊穿電壓和開關頻率的理論極限，設計人員越來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關速率下效率降低和額外的性能問題。

考慮一個開關頻率≥40 kHz 的硅基功率器件。在這些條件下，開關損耗大于傳導損耗，對整體功率損耗產生級聯效應。散發產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?；?a href="http://www.qd573.com/tags/氮化鎵/" target="_blank">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，是高壓和高開關頻率電機控制應用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。我們在這里的討論集中在 GaN HEMT 晶體管在高功率密度電動機應用的功率和逆變器級中提供的優勢。

尺寸和能源效率對于機器人和其他工業用途的電機很重要，但其他因素也發揮了作用。GaN 解決方案可實現更高的脈寬調制 (PWM) 頻率，而低開關損耗有助于驅動具有極低電感的永磁電機和無刷直流電機。這些功能還可以最大限度地減少扭矩波動，以在伺服驅動器和步進電機中進行精確定位，從而使高速電機能夠在無人機等應用中實現高電壓。

氮化鎵的好處

GaN是一種寬帶隙材料。結果，它的禁帶（電子從價帶移動到導帶所需的能量）比硅的禁帶寬得多：大約為 3.4 eV 和 1.12 eV。因為通常在接頭中積聚的電荷可能會更快消散，所以 GaN HEMT 增強的電子遷移率與更快的開關速度相關。

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

綜上所述，GaN 器件在多個方面優于傳統的硅基功率器件，包括：

GaN 的擊穿場比硅高 10 倍以上（3.3 MV/cm 對 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行，GaN 器件表現出較低的溫度并產生較少的熱量。因此，它們可以在比硅更高的溫度（高達 225°C 及以上）下工作，而硅受到其較低的結溫（150°C 至 175°C）的限制。

由于其固有結構，GaN 可以在比硅更高的頻率下開關，并提供低 R DS(on)和出色的反向恢復。這反過來又會產生高效率，同時減少開關和功率損耗。

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

電機控制解決方案

驅動交流電機的常見解決方案包括交流/直流轉換器、直流電路和直流/交流轉換器（逆變器）。第一級通?；?a target="_blank">二極管或晶體管，將 50-Hz/60-Hz 主電壓轉換為近似直流電壓，隨后將其過濾并存儲在直流電路中，供逆變器以后使用。最后，逆變器將直流電壓轉換為三個正弦 PWM 信號，每個信號驅動一個電機相位。GaN HEMT 晶體管通常用于實現電機驅動器逆變器級，這是高壓和高頻電機驅動器解決方案的最關鍵點。

例如， EPC 的EPC2152是一種集成在一個封裝中的驅動器和 eGaN FET 半橋功率級 IC，它基于該公司的專利 GaN IC 技術。單片芯片包含輸入邏輯接口、電平轉換、自舉充電和柵極驅動緩沖電路，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 LGA 外形尺寸。在半橋拓撲中，兩個 eGaN 輸出 FET 旨在具有相同的 R DS(on)。使用帶有 eGaN FET 的片上柵極驅動緩沖器幾乎消除了共源極電感和柵極驅動環路電感的影響（參見圖 1）?；趤碜则寗虞敵?FET 的反饋對柵極驅動電壓進行內部調節可確保安全的柵極電壓電平，同時仍將輸出 FET 導通至低 R DS(on)狀態。

圖 1：EPC2152 的功能圖（來源：EPC）

另一個例子是來自 GaN Systems 的GS-065-004-1-L增強型 GaN-on-silicon 功率晶體管。GaN 的特性允許高電流、高電壓擊穿和高開關頻率。GaN Systems 實施了其獲得專利的 Island Technology 單元布局，以實現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，具有低結殼熱阻。這些特性結合起來提供了非常高效的電源開關。

Navitas Semiconductor 的NV6113將 300-mΩ、650-V 增強型 GaN HEMT、柵極驅動器和相關邏輯集成在 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 2 MHz。該器件針對高頻和軟開關拓撲進行了優化，創建了一個易于使用的“數字輸入、電源輸出”高性能動力總成構建塊。該電源 IC 將傳統拓撲（例如反激式、半橋式和諧振型）的功能擴展到兆赫頻帶以上的開關頻率。NV6113 可以作為單個器件部署在典型的升壓拓撲中，也可以并行部署在流行的半橋拓撲中。

圖2：Navitas Semiconductor的NV6113典型應用電路（來源：Navitas Semiconductor）

Texas Instruments Inc. 提供廣泛的 GaN 集成功率器件產品組合。例如，LMG5200集成了一個基于增強型 GaN FET 的 80V GaN 半橋功率級。該器件由兩個 GaN FET 組成，由一個采用半橋配置的高頻 GaN FET 驅動器驅動。為簡化該器件的設計，TI 提供了 TIDA-00909，這是一種使用三相逆變器和三個 LMG5200 的高頻電機驅動器的參考設計。TIDA-00909 提供了一個兼容接口，用于連接到 C2000 MCU LaunchPad 開發套件，以便于進行性能評估。

GaN 與 SiC

由于節能、尺寸減小、集成選項和可靠性等特性，在電機控制和電力控制應用中使用碳化硅 (SiC) 器件是一項重大突破。除其他外，現在可以在逆變器電路中為連接的電機采用最佳開關頻率，這對電機設計具有重要意義。

在主動冷卻以調節半導體損耗是性能和可靠性的關鍵方面的解決方案中，高達 80% 的損耗降低可能會改變游戲規則。一個例子是基于 SiC 的CoolSiC MOSFET，采用 XT 連接技術，采用英飛凌科技的 1,200-V 優化 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動器等高密度電機驅動領域實現被動冷卻，從而使機器人和自動化行業能夠創建免維護和無風扇電機逆變器。自動化中的無風扇解決方案開辟了新的設計可能性，因為它們節省了維護和材料方面的金錢和時間。由此產生的小系統尺寸使其適合于機械臂中的驅動集成。

與具有相似額定值的 IGBT 相比，在相同的外形尺寸下可以實現更高的電流，具體取決于為 CoolSiC 選擇的電源類型，同時仍保持恒定的結溫，這在 SiC MOSFET 的情況下顯著降低（約 40-60 K）與 IGBT（105 K）相比。對于給定的器件尺寸，SiC MOSFET 允許在沒有風扇的情況下驅動更高的電流。

結論

電動機幾乎遍布現代文明的方方面面，從我們在家中和廚房使用的電氣設備到我們駕駛的汽車（包括汽油動力、混合動力和全電動汽車）以及生產我們智能手機的工廠. 盡管有些電機非常簡單，有些電機非常復雜，但它們都有一個共同點：它們都需要被控制。

其他電機應用，例如當今工業廠房中的應用，需要復雜的電機控制來提供高精度和高速電機控制活動。在直流和電池供電的電機應用中，傳統的硅 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。好處包括提高系統效率和消除大型無源元件 - 即電解電容器和輸入電感器。

　　審核編輯：湯梓紅