高功率电动机各种元件所面临的挑战

对于紧凑型且性能强大的电动机的强烈需求给设计工程师带来了新的挑战，为了最大限度的提高小型电动机的输出功率，工程师们正考虑采用高压和高频的方式，MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)—传统开关逆变器（现代电动机控制的关键元件）的基础—正在努力满足这方面的需求。然而功率密度和击穿电压阈值有限，这就限制了驱动电压，高频操作的快速开关会增加功率损耗，造成的结果是效率低下，发热严重。

GaN HEMT(氮化镓晶体管)可以替代高压高频电动机应用中的MOSFET和IGBT器件，这类参数比较宽的半导体器件为大功率密度电动机开辟了新的应用领域，它们可以处理更高的电压、电流、温度和开关频率，而且功率损耗要比硅晶体管低得多，集成GaN HEMT和驱动逆变器的高功率密度电动机的商业应用也正在推动更多新技术的发展。

GaN HEMT逆变器采用了新一代陶瓷电容器，它能够承受高压峰值和浪涌，这些电压峰值浪涌可能会使传统的直流组件承受过大的压力而损坏，这些元件是高功率电动机所必须的。

电动机设计方面的进展

设计师们要求采用体积更小、重量更轻的电动机来改善现有的产品，并且需要能够广泛的应用，采用高电压和控制频率有望解决这些问题。

采用高压操作的优势

电动机额定功率的计算公式是电源电压乘以电流（V x A），传统电动机的电压比较低（小于1000V），需要电动机在较大电流下运行才会产生更大的输出功率，大电流的缺点是需要更大的线圈，这会增加回路的电阻值，会造成效率低下和发热严重，如果采用高电压（大于10KV）就可以降低电流使用较小的线圈，这种方式的缺点是电阻相关组件（包括电动机驱动器件）必须能够承受较高的电压，可选择的器件会减少同时会增加成本，第二个缺点是小线圈的电感绕组较低，这样不能抑制开关电源产生的电流扰动，这种电流大小变化会导致电磁干扰（EMI）问题。

采用高频操作的优势

现代电动机常见的类型是三相交流（AC）电动机，它是对电动机的每一相绕组依次施加电流来驱动的，电动机的转子会受到绕组产生的旋转磁场的驱动，转速和工作频率成正比（图1）。

图1：作用与感应电动机的每一相正弦信号都会产生旋转磁场，驱动转子转动（来源：科学杂志）

脉冲调制（PWM）会叠加在基础的工作频率上，可以有效的控制启动电流、转矩和功率等参数，半导体晶体管（通常是MOSFET或IGBT）的开关操作决定了PWM的波形。

高频PWM的一个关键优点是减少了电流波动（整流后交流输入的影响），这避免了小型线圈的一个缺点。减小电流波动需要更小、更便宜的无源器件来进行滤波，高频操作还可以减少转矩的不平衡，即不均匀的电动势，这些不均匀的电动势是由于输入到电动机线圈的正弦信号不够完美造成的，它会导致电动机的振动和过度的磨损。

总体来说高频开关增加了功率密度（单位体积输出的功率），因此即使小型的电动机也能输出与大型电动机相同的功率。

传统的电动机驱动方式已经达到了极限

传统的三相交流电动机的电压可达到1000V，开关频率可达到20KHz，这些操作参数完全在价低低廉且商业上广泛应用的MOSFET器件能力范围之内，这种MOSFET器件用于电动机驱动最后阶段的逆变器。

然而硅晶体管在大功率电动机的应用已经达到了极限，首先元件的击穿电压相对较低，限制了电源电压；第二是晶体管的开关功耗，由晶体管从打开到关闭的电阻和电容值造成的，功率损耗远远超过了效率的提升；第三是由于开关时间较长器件会达到一个阈值，超过这个阈值就不能进行高频操作了。

IGBT器件较高的击穿电压提供了一些喘息的机会，允许工程师增大工作电压和工作频率，但是当工作频率上升到50KHz以上时，IGBT就会产生不可接受的开关功耗，而且开关操作的速度也受到影响。

GaN HEMT(氮化镓晶体管)的优势

虽然硅是电子工业的支柱，但是其他半导体通常需要用于高压高频操作或者需要耐高温的场合，这些可替代的半导体器件特性都比较宽泛，而且利用电子来实现能量的传递，与硅器件相比它们显著的改变了材料的电气性能，这类半导体器件的带隙范围是2-4eV，而硅器件的带隙范围是1-1.5eV。GaN是经过验证商业上可用的一个例子。

宽禁带(WBG)器件的特性

在MOSFET器件中当温度高达100℃开关操作会失灵，因为一些电子加热后会获得足够的能量（而不是开关电压）从原子脱离。因为WBG器件的电子需要获得更多的能量才能够从原子本身脱离，只有温度达到300℃才会让GaN晶体管产生同样的效果。

WBG半导体的击穿电压（大于600V）要远高于硅，造成这种情况的原因很复杂，但部分原因是由于电子饱和速度的特性（也称为电子迁移率），较高的迁移率使得WBG半导体材料能够承受两倍于硅材料的电流密度（A/cm²），该特性使得GaN HEMT器件开关切换的时间是MOSFET器件的四分之一左右。

由于存在寄生电阻和电极电阻所有半导体晶体管都表现出一种常态化的功率损耗，其他因素比如电极间的电容也会造成功率损耗，每当晶体管开关操作时就会造成功率损耗，因此损耗与开关频率和电机电流成正比。GaN HEMT的寄生电阻和电极电阻约为MOSFET的一半，电极间的电容约为五分之一，这种差异表明，在给定的开关频率和电机电流情况下GaN HEMT的开关损耗约为MOSFET的10-30%，与MOSFET相比IGBT在高频率下表现出更低的开关损耗，但是效率仍然比GaN HEMT低很多。

GaN HEMT的最后一个优点是晶体管不会发生反向恢复电荷（即当硅MOSFET开关时剩余的少数载流子会耗散），这将会导致MOSFET开关电流超调（振响），从而产生EMI现象。