650V氮化镓技术助力电机控制
氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）在电力电子领域已成为一种变革性技术。最初，GaN 技术是为高频应用（射频）开发的，后来因其比传统硅基半导体更优越的性能而在快速充电解决方案中崭露头角。GaN 是一种宽带隙半导体，具有高电子迁移率，能够处理更高的电压、在更高频率下工作，并且产生的热量更少。这些特性使得 GaN 成为适用于智能手机和笔记本电脑等常见设备的紧凑型、高效且快速充电解决方案的理想选择。由于市场上大多数 GaN 晶体管的额定电压为 650V，它们也适用于高电压电机驱动应用。其主要优势包括更高的功率密度和效率、减少的热量散发以及紧凑的系统设计，能够实现高速且精确的电机控制。这在机器人技术、航天器、电动汽车和无人机等行业中尤为有利，因为这些领域对空间限制和能效至关重要。三相逆变器用于电机控制电压源逆变器（VSI，见图 1a）是电机驱动系统的关键部件，它将直流电转换为三相交流电来驱动电动机。它由三个桥臂组成，每个桥臂包含两个开关（高侧和低侧），总共六个功率器件（如: MOSFET、IGBT 或 GaN HEMT），以桥式配置排列。通过将每个桥臂在 Vdc 和地之间切换，逆变器在每个开关节点处产生一个调制的电压波形。然后，这些电压通过电机绕组（或如果需要的话，通过外部低通滤波器）进行滤波，以产生具有 120° 相位差的三相正弦输出电压。逆变器采用脉冲宽度调制技术来调节输出电压和频率，从而控制电机的速度和转矩。三相逆变器的要求在逆变器运行过程中，电荷不可避免地会穿过开关电容。在MOSFET中，这与输出电容有关，而在 IGBT 中，由于存在反并联二极管，情况有所不同。为了防止直通——即一个桥臂中的两个开关同时导通的情况——必须引入死区时间，以确保两个开关在短时间内都保持关闭状态。在这段时间内，由于能量继续流入电机，电流通过 MOSFET 的内部体二极管或基于 IGBT 设计中的外部反并联二极管进行传导。二极管需要反向恢复电荷（Qrr）才能关闭，这发生在最糟糕的时刻——即开关两端的电压达到峰值时。这个过程会产生开关损耗，降低逆变器的整体效率。GaN技术显著提高效率在电机驱动应用中，最小化导通和开关损耗对于减少能源浪费和提高效率至关重要。此外，快速的开关速度可以提高电机控制的精度并减少谐波失真，而高功率密度和空间限制则需要紧凑、轻便的设计。在一次专门针对宽带隙技术的设计师论坛上，英飞凌科技强调了 GaN 技术在电机驱动中的优势。图 2 展示了一个对比表，说明了影响电机驱动运行的关键性能参数，特别是英飞凌的 CoolGaN 系列中的6A IGBT和140mΩ GaN HEMT之间的对比。
使用650V GaN器件时，所有影响电机驱动运行的关键参数都显示出系统性的改进。例如，消除 Qrr 可显著减少开启损耗，特别是在死区时间结束时 GaN 器件导通时。此外，较低的输入电容可最大限度地减少驱动损耗，而较低的反向转移电容（Crss，也称为米勒电容）在三相逆变器中特别有益。降低 Crss 可减少寄生导通的可能性，从而降低直通的风险。值得注意的是，GaN HEMT 还提供了与检测电阻和内置短路保护单片集成的潜力，进一步增强了系统的可靠性和性能。高频运行随着开关频率的增加，由于信号反射（由电缆长度引起）和电机绕组间电容等因素，电机上会出现高频振铃。这些高频振荡会导致能量损耗，因为只有基频才负责产生转矩。为了减轻这些影响，可以使用可选的低通滤波器。通过将高频分量与低频波形分离，增加开关频率可以降低高频包络，从而减少主要取决于电流纹波的高频电机损耗。然而，过高的开关频率会增加逆变器中的损耗，而 GaN 晶体管在这方面具有优势，因为它们能够减少功耗。最佳开关频率一台典型的3马力高电压永磁同步电机在供电电压为320V、电流为12.5A 时，以1800转/分钟的速度运行。为了确定最佳开关频率，我们可以分析基于碳化硅和 GaN 设计的逆变器损耗和高频电机损耗。如图3所示，使总损耗最小化的频率约为20kHz。在该频率下运行还可以延长电机的使用寿命，使其成为消费类电机驱动的实用选择。
在使用IGBT或超结CoolMOS等传统硅基技术时，对于高达300W的功率水平，如果使用智能功率模块解决方案或有足够的印制电路板用于分立设计，则无需散热器。然而，在300W到500W的范围内，就需要散热器和冷却风扇了。当使用GaN开关时，无需散热器的范围可扩展到1kW，这得益于创新的封装技术。此外，在1kW到3kW的范围内，GaN技术能够实现显著的节能效果，从而降低了散热要求。无刷直流电机和CoolGaN评估板英飞凌开发了一种基于140mΩ CoolGaN晶体管的无刷直流（BLDC）电机的逆变器评估板，该晶体管采用 5×6 ThinPak 封装。由于其高效率，该系统无需散热器即可运行，在 1kW 时最大温度保持在 75°C 以下。关键运行条件包括：
[*]1kHz 的开关频率
[*]10V/ns 的上升/下降速率
[*]200ns 的死区时间
[*]2.5Arms 的电流
与6A IGBT相比，这种配置在100%和50%负载下都能实现令人印象深刻的70%节能。此外，GaN 更平滑的开关转换可实现更低的 EMI 辐射，即使在更高的转换速率下也是如此。这似乎有悖常理，因为GaN HEMT表现出更高的dV/dt。然而，与开关速度较慢的硅器件相比，它们更清晰的开关行为、无反向恢复、更低的共模噪声和优化的封装导致总EMI辐射更低。为此，只需考虑一下，在非线性区域花费的时间越短，就越短高dV/dt和di/dt相互作用的持续时间，从而降低辐射 EMI。英飞凌还声称，其新型集成 CoolGaN 驱动器与PSoC Control C3微控制器和XENSIV电流传感器相结合时可实现更高的功率密度。双向GaN HEMT的未来发展CSI（见图 1b）使用电感来维持恒定电流供应，这需要连续的导通路径。如果电流流动中断，可能会发生高压尖峰，从而可能损坏电感器或其他电路元件。CSI 拓扑需要双向开关，能够阻断两个方向的电压，同时允许单向电流流动。这是必要的，因为逆变器拓扑在开关端子处会承受不同极性的电压。双向电压阻断确保开关能够承受电路并使其与反向电压隔离，从而防止不必要的电流传导和组件损坏。与需要额外笨重的串联二极管进行电压阻断的传统硅器件不同，GaN HEMT本身就可以实现双向作，通常作为两个HEMT的共源配置实现。通过利用基于GaN的双向开关，CSI拓扑可以在更高的开关频率下工作，从而实现更小的无源元件并提高整体系统效率。这使得 GaN 驱动的 CSI 对高性能电机驱动器、并网逆变器和航空航天电力电子设备特别有吸引力。CSI拓扑的优势CSI 在特定的电机驱动应用中具有优势，例如大功率工业电机和可再生能源系统。主要优势包括：本征短路保护：由于直流侧电流由电感调节，因此故障电流自然受到限制，从而提高了系统可靠性。再生制动能力：CSI 能够将能量平稳地传输回直流电源，从而提高效率和节能。改进的电机性能：CSI 提供接近正弦的电流波形，减少电机发热和转矩纹波，并延长使用寿命。降低输出滤波器要求：与 VSI 相比，CSI 产生的谐波失真更低，最大限度地减少了对大型无源滤波器的需求。
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