基于 GaN 的 MOSFET 如何实现高性能电机逆变器

 

推动更高效的能源利用、更严格的监管要求以及研发了冷却操作的技术都能够实现减少电动机的功耗，虽然硅 MOSFET 等开关技术已得到广泛应用，但它们通常无法满足关键逆变器应用更苛刻的性能和效率目标。

 

相反，设计人员可以使用氮化镓 (GaN) 来实现这些目标，氮化镓是一种宽带隙 (WBG) FET 器件技术，在成本、性能、可靠性和易用性方面都得到了改进和进步。GaN器件是主流，已成为中档功率逆变器的首选。

图1：GaN FET 是一款带有集成焊条的钝化芯片器件。来源：Bodo

 

什么是逆变器?

 

逆变器产生并调节驱动电机的电压波形，通常是无刷直流(BLDC) 类型。它控制电机速度和扭矩，以实现平稳启动和停止、反向和加速率等要求。尽管负载发生变化，逆变器必须确保实现并维持所需的电机性能。

 

具有变频输出的电机逆变器不应与交流线路逆变器混淆。后者从汽车电池等电源获取直流电，以提供固定频率的 120/240 V 交流波形，该波形近似于正弦波，可以为线路操作设备供电。

 

GaN 器件相对于硅具有吸引人的特性，包括更高的开关速度、更低的漏源导通电阻 (RDS(ON)) 和更好的热性能。较低的 RDS(ON) 使它们能够用于更小更轻的电机驱动器，并减少功率损耗，从而节省电动自行车和无人机等应用的能源和成本。

 

较低的开关损耗可实现更高效的电机驱动器，延长轻型电动汽车的续航里程。更快的开关速度可实现低延迟电机响应，这对于需要精确电机控制的应用(例如机器人)至关重要。GaN FET 还可用于开发更强大、更高效的叉车电机驱动器。GaN FET 的更高电流处理能力使它们能够用于更大、更强大的电机。

最终应用的底线优势是减小尺寸和重量、提高功率密度和效率以及更好的热性能。

 

GaN入门讲解

 

任何电源开关器件的设计，尤其是中档电流和电压的器件，都需要关注器件的最小细节和独特特性。GaN 器件有两种内部结构选择：耗尽型 (d-GaN) 和增强型 (e-GaN)。d-GaN 开关通常处于“开启”状态，需要负电源；设计成电路更加复杂。相比之下，e-GaN 开关通常是“关闭”晶体管，这导致电路架构更简单。

 

GaN 器件本质上是双向的，一旦其两端的反向电压超过栅极阈值电压，就会开始导电。此外，由于它们在设计上无法以雪崩模式运行，因此具有足够的电压额定值至关重要。对于降压、升压和桥式直流转换拓扑，在总线电压高达 480 V 时，600 V 的额定值通常就足够了。

 

尽管 GaN 开关的基本开关功率开关功能很简单，但它们是功率器件，因此设计人员必须仔细考虑开通和关断驱动要求、开关时序、布局、寄生效应的影响、电流控制流动，电路板上的电流电阻 (IR) 下降。

 

对于许多设计人员来说，评估套件是了解 GaN 器件功能以及如何使用它们的最有效方法。这些套件使用不同配置和功率级别的单个和多个 GaN 器件。它们还包括相关的无源元件，包括电容器、电感器、电阻器、二极管、温度传感器、保护器件和连接器。

 

EPC2065 是低功耗 GaN FET 的极佳示例。其漏源电压 (VDS) 为 80 V，漏极电流 (ID) 为 60 安培 (A)，RDS(ON) 最大值为 3.6 毫欧 (mΩ)。它仅以带焊条的钝化芯片形式供应，尺寸为 3.5 × 1.95 毫米 (mm)。

 

与其他 GaN 器件一样，EPC2065 的横向器件结构和多数载流子二极管可提供极低的总栅极电荷 (QG) 和零反向恢复电荷 (QRR)。这些属性使其非常适合需要非常高的开关频率(高达数百千赫兹)和低导通时间的情况，以及那些通态损耗占主导地位的情况。

 

两个类似的评估套件支持该器件：用于 20 A/500 W 运行的 EPC9167KIT 和用于 20 A/1 千瓦 (kW) 运行的更高功率 EPC9167HCKIT(图 2)。两者都是三相BLDC 电机驱动逆变器板。

图2：EPC9167 板的底部(左)和顶部(右)。来源：Bodo电力系统

 

基本 EPC9167KIT 配置为每个开关位置使用单个 FET，每相可提供高达 15 ARMS(标称值)和 20 ARMS(峰值)的电流。相比之下，电流较高的 EPC9167HC 配置在每个开关位置使用两个并联 FET，可提供高达 20 ARMS/30 ARMS(标称/峰值)输出电流的最大电流，这证明了 GaN FET 的并联配置相对容易更高的输出电流。图 3 显示了基础 EPC9167 板的框图。

 

图3：BLDC 驱动应用中的基础 EPC9167 板框图;较高功率的 EPC9167HC 每个开关有两个并联的 EPC2065 器件，而较低功率的 EPC9167 每个开关只有一个 FET。来源：Bodo电力系统

 

EPC9167KIT 包含支持完整电机驱动逆变器的所有关键电路，包括栅极驱动器、用于内务电源的稳压辅助电源轨、电压检测、温度检测、电流检测和保护功能。

 

EPC9167 可与多种兼容控制器配对，并得到多家制造商的支持。它可以利用现有资源快速配置为电机驱动逆变器，实现快速开发。

 

获得更高的功率

 

功率处理范围的另一端是 EPC2302，这是一款 GaN FET，额定值为 100 V/101 A，最大 RDS(ON) 为 1.8 mΩ。它非常适合 40 至 60 V 的高频 DC-DC 应用和 48 V BLDC 电机驱动器。与 EPC2065 使用的带焊条的钝化芯片封装不同，这款 GaN FET 采用 3 × 5 mm 的低电感 QFN 封装，顶部裸露，可实现卓越的热管理。

 

外壳顶部的热阻很低，仅为每瓦 0.2°C，这可实现出色的热性能并缓解冷却挑战。其裸露的顶部增强了顶部热管理，而侧面可润湿的侧面可确保整个侧焊盘表面在回流焊接过程中被焊料润湿。这可保护铜并允许在此外部侧面区域进行焊接，以便于进行光学检查。

 

EPC2302 的占位面积不到同类最佳硅 MOSFET 的一半，且 RDS(on) 和额定电压相似，而其 QG 和 QGD 则明显较小，且其 QRR 为零。这可降低开关损耗和栅极驱动器损耗。EPC2302 的死区时间很短，仅为数十纳秒 (ns)，可提高效率，而其零值 QRR 可提高可靠性并最大限度地减少电磁干扰 (EMI)。

为了测试 EPC2302，EPC9186KIT 电机控制器/驱动器电源管理评估板支持高达 5 kW 的电机，并可提供高达 150 ARMS 和 212 APEAK 的最大输出电流(图 4)。

图4：EPC2302 的 EPC9186KIT 5 kW 评估板的顶部(左)和底部(右)。来源：Bodo电力系统

 

EPC9186KIT 在每个开关位置使用四个并联 GaN FET 来实现更高的额定电流，这证明了使用这种方法可以轻松达到更高的电流水平。该板在电机驱动应用中支持高达 100 kHz 的 PWM 开关频率。它包含支持完整电机驱动逆变器的所有关键功能，包括栅极驱动器、稳压辅助内务电源、电压和温度感测、精确电流感测以及保护功能。

 

电机逆变器是基本电源与电机之间的关键连接。设计更小、更高效、更高性能的逆变器是一个越来越重要的目标。虽然设计人员可以选择中档逆变器使用的关键电源开关器件的工艺技术，但 GaN 器件是首选。