近年來，隨著電機在各種應(yīng)用中的廣泛使用和巨大的節(jié)能潛力，電機控制技術(shù)，特別是頻率控制驅(qū)動器，獲得了快速發(fā)展。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(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了重大變革。

新興電子應(yīng)用需要能從緊湊型平臺中獲得更高性能的電機設(shè)計。依靠經(jīng)典硅基MOSFET和IGBT的電機驅(qū)動器電路正在努力滿足新的標準。隨著硅基技術(shù)接近功率密度、擊穿電壓和開關(guān)頻率的理論極限，設(shè)計人員越來越難以控制功率損耗。這些限制帶來的主要后果是在高工作溫度和開關(guān)速率下的效率降低以及性能問題增加。

我們可以來斟酌一個工作在大于等于40kHz開關(guān)頻率下的硅基功率器件。在這些條件下，開關(guān)損耗大于傳導損耗，并會對總功率損耗產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)。散發(fā)所產(chǎn)生的多余熱量需要使用散熱器，這就會造成解決方案的重量、占位面積和生產(chǎn)成本增加。

基于氮化鎵(GaN)的高電子遷移率晶體管(HEMT)器件具有優(yōu)越的電氣特性，因此成為了高壓、高開關(guān)頻率電機控制應(yīng)用中MOSFET和IGBT的有效替代品。本文主要集中討論GaN HEMT晶體管在高功率密度電機應(yīng)用的功率級和逆變器級中所提供的優(yōu)勢。

在機器人和其他工業(yè)用途的電機中，尺寸和能源效率非常重要，但其他因素也開始發(fā)揮作用。GaN解決方案可以實現(xiàn)更高的脈寬調(diào)制(PWM)頻率，而低開關(guān)損耗則有助于驅(qū)動具有極低電感的永磁電機和無刷直流電機。這些特性還可以將伺服驅(qū)動器和步進電機精確定位的轉(zhuǎn)矩波動降至最低，從而在無人機等應(yīng)用中使高速電機實現(xiàn)高電壓。

GaN的好處

GaN是一種寬禁帶材料。因此，它的禁帶（電子從價帶移動到導帶所需的能量）比硅的禁帶要寬得多：大約是3.4eV對1.12eV。因為通常在結(jié)點積聚的電荷可能會消散得更快，所以GaN HEMT的增強電子遷移率與更快的開關(guān)速度是息息相關(guān)的。

由于其較短的上升時間、較低的漏源通態(tài)電阻(RDS(on))值，以及更小的柵極電容和輸出電容，GaN可以實現(xiàn)低開關(guān)損耗，并能在比硅高10倍的開關(guān)頻率下工作。能夠在高開關(guān)頻率下工作，就使得占位空間、重量和體積更小，并且消除了對電感器和變壓器等笨重元器件的需求。隨著開關(guān)頻率的增加，GaN HEMT的開關(guān)損耗將保持遠低于硅MOSFET或IGBT的開關(guān)損耗，并且開關(guān)頻率越大，差異越明顯。

綜上所述，GaN器件在多個方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的硅基功率器件，這些優(yōu)勢包括：

• GaN的擊穿場比硅高10倍以上（3.3MV/cm對0.3MV/cm），因此允許GaN基功率器件在損壞前支持10倍以上的電壓。
• 在相同的電壓值下工作，GaN器件的溫度更低，產(chǎn)生的熱量更少。因此，它們可以在比硅更高的溫度(高達225℃2及以上)條件下工作，而硅則會受到其較低結(jié)溫(150℃至175℃)的限制。
• 由于其固有結(jié)構(gòu)，GaN可以以比硅更高的頻率進行開關(guān)，并能提供更低的RDS(on)和優(yōu)秀的反向恢復能力。這反過來又會帶來高效率，同時減少開關(guān)損耗和功率損耗。
• 作為一種HEMT，GaN器件具有比硅器件更高的電場強度，從而允許GaN器件具有更小的裸片尺寸和更小的占位空間。

電機控制解決方案

驅(qū)動交流電機常用的解決方案包括AC/DC轉(zhuǎn)換器、直流電路和DC/AC轉(zhuǎn)換器(逆變器)。第一級通常基于二極管或晶體管，將50Hz或者60Hz工頻電壓轉(zhuǎn)換為近似的直流電壓，該直流電壓隨后又會經(jīng)過濾波并被存儲在直流電路中以供后續(xù)的逆變器使用。最后，逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為三個正弦PWM信號，每個信號用于驅(qū)動一個電機相位。GaN HEMT晶體管通常用于實現(xiàn)電機驅(qū)動器逆變器級，這是高壓、高頻電機驅(qū)動解決方案的最關(guān)鍵部分。

例如，EPC公司的EPC2152是一種驅(qū)動器和eGaN FET半橋功率級合封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)動緩沖電路，以及配置為半橋的eGaN輸出FET。高集成度使其芯片級LGA封裝尺寸達到了3.85mm×2.59mm×0.63mm，非常緊湊。在半橋拓撲中，兩個eGaN輸出FET具有相同的漏源通態(tài)電阻。使用帶有eGaN FET的片上柵極驅(qū)動緩沖器，幾乎消除了共源極電感和柵極驅(qū)動回路電感的影響（參見圖1）?；趤碜则?qū)動輸出FET的反饋的柵極驅(qū)動電壓內(nèi)部穩(wěn)壓，則在仍將輸出FET打開至低RDS(on)狀態(tài)的同時，確保了安全柵極電壓水平。

圖1：EPC2152的功能圖。（圖片來源：EPC）

另一個例子是來自GaN Systems公司的GS-065-004-1-L增強型硅基GaN功率晶體管。GaN的特性可實現(xiàn)大電流、高電壓擊穿和高開關(guān)頻率。GaN Systems實現(xiàn)了其專利島技術(shù)單元布局，用于實現(xiàn)大電流裸片性能和產(chǎn)量。GS-065-004-1-L是一種采用5mm×6mm PDFN封裝的底部冷卻晶體管，因此可以實現(xiàn)低結(jié)殼熱阻。這些特性結(jié)合起來就提供了非常高效的電源開關(guān)。

納微半導體的NV6113在5mm×6mm QFN封裝中集成了300mΩ、650V增強型GaN HEMT，以及柵極驅(qū)動器和關(guān)聯(lián)邏輯。NV6113可以承受200V/ns的電壓轉(zhuǎn)換速率，并在高達2MHz的頻率下工作。該器件針對高頻和軟開關(guān)拓撲進行了優(yōu)化，可以用來創(chuàng)建易于使用的“數(shù)字輸入，電源輸出”高性能動力總成組件。該電源IC將傳統(tǒng)拓撲（例如反激式、半橋式和諧振式）的性能擴展到了兆赫頻帶以上的開關(guān)頻率。NV6113可以在典型的升壓拓撲中作為單個器件部署，也可以在流行的半橋拓撲中并行部署。

圖2：納微半導體的NV6113典型應(yīng)用電路。(圖片來源：納微半導體)

德州儀器(TI)提供廣泛的GaN集成電源器件組合。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，后者又由一個半橋結(jié)構(gòu)的高頻GaN FET驅(qū)動器驅(qū)動。為了簡化該器件的設(shè)計，TI提供了高頻電機驅(qū)動參考設(shè)計TIDA-00909，其中使用了一個三相逆變器以及三個LMG5200。TIDA-00909具有兼容接口，可連接到C2000 MCU LaunchPad開發(fā)工具包，從而便于性能評估。

氮化鎵與碳化硅

由于具有節(jié)能、尺寸微縮、集成方案和可靠性等特性，碳化硅(SiC)器件在電機控制和電力控制應(yīng)用中的運用是一個重大突破。除此之外，現(xiàn)在可以在逆變器電路中為所連接的電機采用最佳開關(guān)頻率，這對電機設(shè)計具有重要意義。

在必須使用有源冷卻來調(diào)節(jié)半導體損耗，從而實現(xiàn)高性能和高可靠性的解決方案中，降低高達80%的損耗可能會扭轉(zhuǎn)局面。一個例子是來自英飛凌科技的基于SiC的CoolSiC MOSFET，并在針對1,200V優(yōu)化的D2PAK-7 SMD封裝中采用了.XT連接技術(shù)，因此就可以以小尺寸提供有吸引力的散熱能力。這種組合就可以在伺服驅(qū)動器等高密度電機驅(qū)動領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)無源冷卻，從而使機器人和自動化行業(yè)能夠創(chuàng)建免維護、無風扇的電機逆變器。自動化領(lǐng)域的無風扇解決方案開辟了新的設(shè)計可能性，因為它們節(jié)省了維護和材料上的金錢和時間。由此獲得的小系統(tǒng)尺寸使其適合于機械臂中的驅(qū)動集成。

與具有類似額定值的IGBT相比，根據(jù)為CoolSiC選擇的功率類型，可以在相同的外形尺寸下實現(xiàn)更大的電流，同時仍然保持在SiC MOSFET(約40~60K)的情況下明顯低于IGBT(105K)的恒定結(jié)溫。對于給定的器件尺寸，使用SiC MOSFET，還可以在沒有風扇的情況下驅(qū)動更大的電流。

總結(jié)

從我們在家中和廚房使用的電氣設(shè)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(chǎn)智能手機的工廠，電機幾乎遍布現(xiàn)代文明的方方面面。雖然有些電機非常簡單，有些則非常復雜，但它們都有一個共同點，即都需要控制。

其他電機應(yīng)用，諸如當今工業(yè)廠房中的應(yīng)用，則需要用復雜的電機控制來提供高精度、高速的電機控制活動。傳統(tǒng)的硅MOSFET和低PWM頻率的逆變器正在直流電機和電池供電電機應(yīng)用中被逐步淘汰，取而代之的則是基于GaN的高PWM頻率的逆變器。其好處包括提高系統(tǒng)效率和消除大型無源元件，即電解電容器和輸入電感器。