用于电机控制的GaN技术

基于氮化镓 (GaN) 的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 器件具有出色的电气特性，是高压和高开关频率电机控制应用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。我们在这里的讨论集中在 GaN HEMT 晶体管在高功率密度电动机应用的功率和逆变器阶段提供的优势。

GaN 的优势

氮化镓是一种宽带隙 (WBG) 材料。因此，它的禁带(对应于电子从价带传递到导带所需的能量)比硅宽得多：约 3.4 电子伏特 (eV)，而硅为 1.12 eV。GaN HEMT 更高的电子迁移率转化为更高的开关速度，因为通常在接头中积累的电荷可以更快地分散。更快的上升时间，更低的漏源导通电阻 (R DS(on)) 值以及使用 GaN 可实现的降低的栅极和输出电容都有助于其低开关损耗和在高达 10 倍于硅的开关频率下工作的能力。降低功率损耗会带来额外的好处，例如更高效的配电、更少的散热和更简单的冷却系统。

图 1：GaN 和硅晶体管的总体器件损耗

(图片：德州仪器)

在高开关频率下工作的可能性使解决方案能够减少占位面积、重量和体积，避免使用电感器和变压器等笨重的组件。图 1显示了随着开关频率的升高，采用硅和氮化镓技术构建的功率器件的导通和开关损耗趋势线。对于这两种材料，传导损耗保持不变并且开关损耗增加。但随着开关频率的增加，GaN HEMT 晶体管的开关损耗仍然明显低于硅 MOSFET 或 IGBT，并且开关频率越高，差异越明显。

与传统硅器件相比，GaN HEMT 的主要优势在于：

更高的压摆率(dV/dt 为 100 V/ns 或更高)，进而支持更快的开关速率，从而降低开关损耗;

接近零的反向恢复电荷(因为 GaN HEMT 没有本征体二极管，因此不需要反并联二极管，并且降低了功率损耗和电磁干扰 [EMI] 效应);

在较高温度(最高约 300 °C)下完全运行，而不影响开关能力;

更高的击穿电压(高于 600 V);

在给定的开关频率和电机电流下，开关损耗是硅 MOSFET 的 10% 到 30%;和

更高的效率、更小的占地面积和更轻的重量。

所有这些特性都有利于在设计用于高压和高频电动机的驱动器时使用 GaN HEMT 器件。使用 GaN HEMT，设计人员可以构建具有与硅基设计相同的输出特性但尺寸更紧凑且功率吸收更低的电动机。

高性能电机驱动

低压、低电感、高转速无刷电机需要典型开关频率在 40 kHz 和 100 kHz 之间的驱动电路，能够最大限度地减少电机扭矩的损耗和变化。驱动交流电机的常见解决方案如图 2所示，包括一个 AC/DC 转换器、一个直流电路(如图 2 所示)由电容器)和一个 DC/AC 转换器(逆变器)。第一级通常基于二极管或晶体管，将 50-Hz/60-Hz 主电压转换为近似直流电压，随后将其过滤并存储在直流电路中，供逆变器以后使用。最后，逆变器将直流电压转换为三个正弦脉冲宽度调制 (PWM) 信号，每个信号驱动一个电机相位。

图 2：典型电机驱动器解决方案的简化框图(图片：德州仪器)

DC 电路过滤来自 AC/DC 转换器的电压和电流，抑制可能损坏逆变器晶体管的电压瞬变，减少可能损坏逆变器晶体管的感应电流，稳定提供给负载的电压，并提高整体效率。电容器必须在特别关键的条件下工作，例如高压摆率和高电压峰值。因此，设计人员应仔细选择电容器以确保所需的高压特性——例如，选择贱金属电极 (BME) 电容器。

集成电源解决方案

回到图 2，GaN HEMT 晶体管通常用于实现电机驱动逆变器级，这是高压和高频电机驱动器解决方案的最关键点。今天，一些基于 GaN 技术的集成器件已经上市。

例如，Navitas Semiconductor 的 NV6113 集成了一个 300-mΩ、650-V 增强型 GaN HEMT;栅极驱动器;和相关逻辑，全部采用 5 × 6-mm QFN 封装。NV6113 可以承受 200 V/ns 的压摆率，工作频率高达 2 MHz。该器件针对高频和软开关拓扑进行了优化，创建了一个易于使用的“数字输入、电源输出”高性能动力总成构建块。该电源 IC 将传统拓扑(例如反激式、半桥式和谐振型)的功能扩展到兆赫频带以上的开关频率。NV6113 可以作为单个器件部署在典型的升压拓扑中，也可以并行部署在流行的半桥拓扑中。

德州仪器拥有广泛的 GaN 集成功率器件产品组合。例如，LMG5200 集成了一个基于增强型 GaN FET 的 80V GaN 半桥功率级。该器件由两个 GaN FET 组成，由一个采用半桥配置的高频 GaN FET 驱动器驱动。为简化该器件的设计，TI 提供了 TIDA-00909，这是一种使用三相逆变器和三个 LMG5200 的高频电机驱动器的参考设计。TIDA-00909 提供了一个兼容接口，用于连接到 C2000 MCU LaunchPad 开发套件，以便于进行性能评估。

图 3：TIDA-00909 框图(图片：德州仪器)

　　审核编辑：汤梓红