为什么电机驱动方案要选择GaN？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）在智能化时代，电机应用需求走向高效率、高功率密度、快动态响应。而GaN功率芯片具备低开关损耗、高频等特性，在电机应用中，低开关损耗的功率芯片能够提高系统效率；高频特性可以使得电机驱动电路使用体积更小的无源器件，让整体系统功率密度得到提升。
 
根据TI的白皮书，GaN FET的损耗相比硅基IGBT和MOSFET更低，原因包括：
 
l GaN 提供零反向恢复。通过零反向恢复，可以非常高的电流压摆率 (di/dt) 和电压压摆率 (dv/dt) 切换 GaN FET。在 MOSFET 中，体二极管会出现较高的零反向恢复，从而限制开关 di/dt 和 dv/dt，并导致额外的损耗和相位节点电压振铃。对于 IGBT，即使添加经过优化的反向并联二极管，仍然会带来与反向恢复相关的难题。
 
l 关闭时，IGBT 会受到少数载流子复合电流（通常称为尾电流）的影响，该电流会增加关断损耗。GaN 没有任何尾电流。与 IGBT 和 MOSFET 相比，GaN 的电容更低，因此电容开关损耗更低。
 
l 受控和更快的 di/dt 和受控 dv/dt 有助于优化开关期间的电压-电流重叠损耗。
 
在电机应用中，以吹风机、水泵等应用的高速电机为例，通常这些应用中用到的永磁同步电机需要高PWM频率，以减少电流纹波并实现出色的电机性能。电机绕组中较高的电流纹波会导致不必要的扭矩纹波，增加铜和磁芯损耗，并导致开关期间检测到的平均电机电流不准确。
 
基于 MOSFET 或 IGBT 的 IPM 的额定使用频率通常为 20kHz；但是，由于开关损耗较高，它们通常用于较低的开关频率（6kHz 至 16kHz）。由于 GaN 即使在较低的 dv/dt 下也能提供低得多的开关损耗，因此能够以高得多的频率进行开关以提高电机效率和性能。
 
比如TI DRV7308件集成了针对所有 GaN FET 且具有相位节点电压压摆率控制功能的前置
驱动器。DRV7308 有助于在 Quad Flat No-lead (QFN) 12mm x 12mm 封装内的三相调制、场定向控制驱动的 250W 电机驱动应用中实现超过 99% 的逆变器效率，无需散热器。
 
最近英诺赛科也推出了两款高性能低压电机驱动方案，面向机器人、无人机、电动工具等低压电机应用。两款方案均采用48V–60V输入，支持持续输出相电流峰值达25A/22A，完美适配1kW级别的电机驱动需求。
 
其中INNDMD48V25A1 (分立方案)：采用 6颗INN100EA035A分立器件+3颗INS2003FQ专用驱动IC，更好地发挥了分立方案灵活性。INNDMD48V22A1 (集成方案)：采用3颗ISG3204LA半桥合封GaN（内置驱动），集成度高，布局更简洁。
 
根据测试，在40kHz开关频率、20A相电流条件下：分立方案 (INN100EA035A) 总损耗为11.6W，对标的Si方案为19W，降幅达39%； 合封方案 (ISG3204LA) 总损耗为12.3W，对标的Si方案为16.3W，降幅达24.5%。
 
在高频性能上，当开关频率从20kHz提升至40kHz：INS2003FQ+INN100EA035A分立器件方案中的GaN系统损耗仅增加0.7W，而Si方案增加了4.1W，GaN损耗增量降低83%；频率提升带来的温升仅10℃，为系统继续提升频率、缩小电感与电容体积预留了空间。
 
同时在在相同散热条件下，GaN器件温度比Si方案低23℃以上；在18A以下相电流时，合封GaN方案可无需散热器，极大减小系统体积。
 
该方案也能有效提高功率密度，其中分立GaN方案最大输出电流有效值比Si方案提升3.5A。在相同温升条件下，可支持更高负载电流，轻松实现更高功率密度。
 
小结：
 
GaN 芯片通过“低损耗、高功率密度、耐严苛环境、快响应”四大核心优势，不仅解决了传统硅基电机驱动在效率、体积、精度上的瓶颈，还为电机驱动的“节能化、小型化、精密化” 提供了关键支撑，是未来中低压电机驱动的核心发展方向。