近年來，隨著電機(jī)在各種應(yīng)用中的廣泛使用和巨大的節(jié)能潛力，電機(jī)控制技術(shù)，特別是頻率控制驅(qū)動(dòng)器，獲得了快速發(fā)展。用于電機(jī)控制的基于框架的電源模塊，在對(duì)成本、尺寸和性能特別敏感的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了重大變革。

新興電子應(yīng)用需要能從緊湊型平臺(tái)中獲得更高性能的電機(jī)設(shè)計(jì)。依靠經(jīng)典硅基MOSFET和IGBT的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路正在努力滿足新的標(biāo)準(zhǔn)。隨著硅基技術(shù)接近功率密度、擊穿電壓和開關(guān)頻率的理論極限，設(shè)計(jì)人員越來越難以控制功率損耗。這些限制帶來的主要后果是在高工作溫度和開關(guān)速率下的效率降低以及性能問題增加。

我們可以來斟酌一個(gè)工作在大于等于40kHz開關(guān)頻率下的硅基功率器件。在這些條件下，開關(guān)損耗大于傳導(dǎo)損耗，并會(huì)對(duì)總功率損耗產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)。散發(fā)所產(chǎn)生的多余熱量需要使用散熱器，這就會(huì)造成解決方案的重量、占位面積和生產(chǎn)成本增加。

基于氮化鎵(GaN)的高電子遷移率晶體管(HEMT)器件具有優(yōu)越的電氣特性，因此成為了高壓、高開關(guān)頻率電機(jī)控制應(yīng)用中MOSFET和IGBT的有效替代品。本文主要集中討論GaN HEMT晶體管在高功率密度電機(jī)應(yīng)用的功率級(jí)和逆變器級(jí)中所提供的優(yōu)勢(shì)。

在機(jī)器人和其他工業(yè)用途的電機(jī)中，尺寸和能源效率非常重要，但其他因素也開始發(fā)揮作用。GaN解決方案可以實(shí)現(xiàn)更高的脈寬調(diào)制(PWM)頻率，而低開關(guān)損耗則有助于驅(qū)動(dòng)具有極低電感的永磁電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。這些特性還可以將伺服驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)精確定位的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)降至最低，從而在無(wú)人機(jī)等應(yīng)用中使高速電機(jī)實(shí)現(xiàn)高電壓。

GaN的好處

GaN是一種寬禁帶材料。因此，它的禁帶（電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶所需的能量）比硅的禁帶要寬得多：大約是3.4eV對(duì)1.12eV。因?yàn)橥ǔＴ诮Y(jié)點(diǎn)積聚的電荷可能會(huì)消散得更快，所以GaN HEMT的增強(qiáng)電子遷移率與更快的開關(guān)速度是息息相關(guān)的。

由于其較短的上升時(shí)間、較低的漏源通態(tài)電阻(RDS(on))值，以及更小的柵極電容和輸出電容，GaN可以實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗，并能在比硅高10倍的開關(guān)頻率下工作。能夠在高開關(guān)頻率下工作，就使得占位空間、重量和體積更小，并且消除了對(duì)電感器和變壓器等笨重元器件的需求。隨著開關(guān)頻率的增加，GaN HEMT的開關(guān)損耗將保持遠(yuǎn)低于硅MOSFET或IGBT的開關(guān)損耗，并且開關(guān)頻率越大，差異越明顯。

綜上所述，GaN器件在多個(gè)方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的硅基功率器件，這些優(yōu)勢(shì)包括：

• GaN的擊穿場(chǎng)比硅高10倍以上（3.3MV/cm對(duì)0.3MV/cm），因此允許GaN基功率器件在損壞前支持10倍以上的電壓。
• 在相同的電壓值下工作，GaN器件的溫度更低，產(chǎn)生的熱量更少。因此，它們可以在比硅更高的溫度(高達(dá)225℃2及以上)條件下工作，而硅則會(huì)受到其較低結(jié)溫(150℃至175℃)的限制。
• 由于其固有結(jié)構(gòu)，GaN可以以比硅更高的頻率進(jìn)行開關(guān)，并能提供更低的RDS(on)和優(yōu)秀的反向恢復(fù)能力。這反過來又會(huì)帶來高效率，同時(shí)減少開關(guān)損耗和功率損耗。
• 作為一種HEMT，GaN器件具有比硅器件更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而允許GaN器件具有更小的裸片尺寸和更小的占位空間。

電機(jī)控制解決方案

驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)常用的解決方案包括AC/DC轉(zhuǎn)換器、直流電路和DC/AC轉(zhuǎn)換器(逆變器)。第一級(jí)通?；诙O管或晶體管，將50Hz或者60Hz工頻電壓轉(zhuǎn)換為近似的直流電壓，該直流電壓隨后又會(huì)經(jīng)過濾波并被存儲(chǔ)在直流電路中以供后續(xù)的逆變器使用。最后，逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為三個(gè)正弦PWM信號(hào)，每個(gè)信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)相位。GaN HEMT晶體管通常用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器逆變器級(jí)，這是高壓、高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案的最關(guān)鍵部分。

例如，EPC公司的EPC2152是一種驅(qū)動(dòng)器和eGaN FET半橋功率級(jí)合封IC，它基于該公司的專利GaN IC技術(shù)。單片芯片包含輸入邏輯接口、電平轉(zhuǎn)換、自舉充電和柵極驅(qū)動(dòng)緩沖電路，以及配置為半橋的eGaN輸出FET。高集成度使其芯片級(jí)LGA封裝尺寸達(dá)到了3.85mm×2.59mm×0.63mm，非常緊湊。在半橋拓?fù)渲?，兩個(gè)eGaN輸出FET具有相同的漏源通態(tài)電阻。使用帶有eGaN FET的片上柵極驅(qū)動(dòng)緩沖器，幾乎消除了共源極電感和柵極驅(qū)動(dòng)回路電感的影響（參見圖1）?；趤碜则?qū)動(dòng)輸出FET的反饋的柵極驅(qū)動(dòng)電壓內(nèi)部穩(wěn)壓，則在仍將輸出FET打開至低RDS(on)狀態(tài)的同時(shí)，確保了安全柵極電壓水平。

圖1：EPC2152的功能圖。（圖片來源：EPC）

另一個(gè)例子是來自GaN Systems公司的GS-065-004-1-L增強(qiáng)型硅基GaN功率晶體管。GaN的特性可實(shí)現(xiàn)大電流、高電壓擊穿和高開關(guān)頻率。GaN Systems實(shí)現(xiàn)了其專利島技術(shù)單元布局，用于實(shí)現(xiàn)大電流裸片性能和產(chǎn)量。GS-065-004-1-L是一種采用5mm×6mm PDFN封裝的底部冷卻晶體管，因此可以實(shí)現(xiàn)低結(jié)殼熱阻。這些特性結(jié)合起來就提供了非常高效的電源開關(guān)。

納微半導(dǎo)體的NV6113在5mm×6mm QFN封裝中集成了300mΩ、650V增強(qiáng)型GaN HEMT，以及柵極驅(qū)動(dòng)器和關(guān)聯(lián)邏輯。NV6113可以承受200V/ns的電壓轉(zhuǎn)換速率，并在高達(dá)2MHz的頻率下工作。該器件針對(duì)高頻和軟開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化，可以用來創(chuàng)建易于使用的“數(shù)字輸入，電源輸出”高性能動(dòng)力總成組件。該電源IC將傳統(tǒng)拓?fù)洌ɡ绶醇な健霕蚴胶椭C振式）的性能擴(kuò)展到了兆赫頻帶以上的開關(guān)頻率。NV6113可以在典型的升壓拓?fù)渲凶鳛閱蝹€(gè)器件部署，也可以在流行的半橋拓?fù)渲胁⑿胁渴稹?/p>

圖2：納微半導(dǎo)體的NV6113典型應(yīng)用電路。(圖片來源：納微半導(dǎo)體)

德州儀器(TI)提供廣泛的GaN集成電源器件組合。例如，LMG5200集成了一個(gè)基于增強(qiáng)型GaN FET的80V GaN半橋功率級(jí)。該器件由兩個(gè)GaN FET組成，后者又由一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)的高頻GaN FET驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。為了簡(jiǎn)化該器件的設(shè)計(jì)，TI提供了高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)TIDA-00909，其中使用了一個(gè)三相逆變器以及三個(gè)LMG5200。TIDA-00909具有兼容接口，可連接到C2000 MCU LaunchPad開發(fā)工具包，從而便于性能評(píng)估。

氮化鎵與碳化硅

由于具有節(jié)能、尺寸微縮、集成方案和可靠性等特性，碳化硅(SiC)器件在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中的運(yùn)用是一個(gè)重大突破。除此之外，現(xiàn)在可以在逆變器電路中為所連接的電機(jī)采用最佳開關(guān)頻率，這對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)具有重要意義。

在必須使用有源冷卻來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體損耗，從而實(shí)現(xiàn)高性能和高可靠性的解決方案中，降低高達(dá)80%的損耗可能會(huì)扭轉(zhuǎn)局面。一個(gè)例子是來自英飛凌科技的基于SiC的CoolSiC MOSFET，并在針對(duì)1,200V優(yōu)化的D2PAK-7 SMD封裝中采用了.XT連接技術(shù)，因此就可以以小尺寸提供有吸引力的散熱能力。這種組合就可以在伺服驅(qū)動(dòng)器等高密度電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)無(wú)源冷卻，從而使機(jī)器人和自動(dòng)化行業(yè)能夠創(chuàng)建免維護(hù)、無(wú)風(fēng)扇的電機(jī)逆變器。自動(dòng)化領(lǐng)域的無(wú)風(fēng)扇解決方案開辟了新的設(shè)計(jì)可能性，因?yàn)樗鼈児?jié)省了維護(hù)和材料上的金錢和時(shí)間。由此獲得的小系統(tǒng)尺寸使其適合于機(jī)械臂中的驅(qū)動(dòng)集成。

與具有類似額定值的IGBT相比，根據(jù)為CoolSiC選擇的功率類型，可以在相同的外形尺寸下實(shí)現(xiàn)更大的電流，同時(shí)仍然保持在SiC MOSFET(約40~60K)的情況下明顯低于IGBT(105K)的恒定結(jié)溫。對(duì)于給定的器件尺寸，使用SiC MOSFET，還可以在沒有風(fēng)扇的情況下驅(qū)動(dòng)更大的電流。

總結(jié)

從我們?cè)诩抑泻蛷N房使用的電氣設(shè)備到我們駕駛的汽車（包括汽油動(dòng)力、混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車）以及生產(chǎn)智能手機(jī)的工廠，電機(jī)幾乎遍布現(xiàn)代文明的方方面面。雖然有些電機(jī)非常簡(jiǎn)單，有些則非常復(fù)雜，但它們都有一個(gè)共同點(diǎn)，即都需要控制。

其他電機(jī)應(yīng)用，諸如當(dāng)今工業(yè)廠房中的應(yīng)用，則需要用復(fù)雜的電機(jī)控制來提供高精度、高速的電機(jī)控制活動(dòng)。傳統(tǒng)的硅MOSFET和低PWM頻率的逆變器正在直流電機(jī)和電池供電電機(jī)應(yīng)用中被逐步淘汰，取而代之的則是基于GaN的高PWM頻率的逆變器。其好處包括提高系統(tǒng)效率和消除大型無(wú)源元件，即電解電容器和輸入電感器。