使用GaN 功率 IC 提供高性能、可靠的電機(jī)驅(qū)動器第1部分

歐盟大約有 80 億臺電動機(jī)在使用，消耗了歐盟生產(chǎn)的近 50% 的電力。由于提高效率和減少碳足跡是政府和行業(yè)的主要目標(biāo)，因此存在多項舉措來降低這些電機(jī)的耗電量。例如，許多家用電器能源標(biāo)簽的全球標(biāo)準(zhǔn)通過降低能耗以及可聽和電氣噪聲等來影響電器的設(shè)計。另一個例子是歐洲引入了工業(yè)電機(jī)的效率等級，有效地切斷了低效率電機(jī)的市場。

因此，我們看到了感應(yīng)電機(jī)的興起，例如無刷直流 (BLDC) 電機(jī)，在相同的機(jī)械功率下體積更小、效率更高。5這些效率更高、性能更高的電機(jī)需要更復(fù)雜的電子設(shè)備才能運行。用于變速驅(qū)動器 (VSD) 或變頻驅(qū)動器的脈寬調(diào)制技術(shù)通過整流交流電源為電機(jī)創(chuàng)建脈沖三相電壓。這會提高性能，可以控制速度和扭矩，并對系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計產(chǎn)生積極影響。在高壓電網(wǎng)側(cè)實施有源功率因數(shù)校正(PFC)，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，這正在成為政府制定的更嚴(yán)格的法規(guī)(例如，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000)。

硅 IGBT 很慢

幾十年來，VSD 一直使用IGBT作為他們的主要電源開關(guān)。這些傳統(tǒng)的硅晶體管堅固耐用且具有成本效益，但開關(guān)速度較慢且損耗相對較高，因此還有改進(jìn)的空間。對于許多消費類應(yīng)用，尤其是那些預(yù)期在室內(nèi)運行的應(yīng)用，需要高于 16 kHz 的開關(guān)頻率來降低可聽噪聲。由于其緩慢的反向恢復(fù)特性，這些更高的頻率對 IGBT 具有挑戰(zhàn)性，從而導(dǎo)致高開關(guān)損耗。硅 MOSFET 也已用于 VSD，但實現(xiàn)的功率密度低于 IGBT，盡管在滿載條件下開關(guān)損耗可以更低。MOSFET 的內(nèi)部體二極管恢復(fù)損耗也很差，這會增加總損耗。即使是專門設(shè)計的帶有快速恢復(fù)二極管的 MOSFET，通常也比 IGBT 產(chǎn)品中的快速恢復(fù)二極管更慢、更靈敏。在輕負(fù)載運行中，由于其線性電流-電壓關(guān)系，MOSFET 確實顯示出優(yōu)于 IGBT 的優(yōu)勢。

GaN 在電機(jī)驅(qū)動中的優(yōu)勢

通過在功率級中使用氮化鎵，可以在逆變器和電機(jī)以及整個系統(tǒng)中實現(xiàn)效率的下一個重要步驟?；?GaN 的器件更接近理想開關(guān)，提供顯著降低的開關(guān)損耗并帶來許多不同的好處。

在大多數(shù)情況下，VSD 的效率相對較高，通常為 95% 到 97%，這比電機(jī)或被驅(qū)動的機(jī)械過程要高得多。老式電機(jī)的效率為 60%，而更現(xiàn)代的 BLDC 電機(jī)的工作效率為 80% 或更高。由于開關(guān)損耗非常低，這些效率更高的 VSD 系統(tǒng)可提供更好的電氣效率，從而降低系統(tǒng)成本，因為可以顯著減少甚至去除從電源開關(guān)中散熱所需的散熱器。在 VSD 的典型硬開關(guān)半橋中，具有零反向恢復(fù)損耗的 GaN IC 的較低開關(guān)損耗可以比 IGBT 或 MOSFET 低 4 至 5 倍，從而將總功率損耗降低50%。在低功率應(yīng)用中，這甚至可能意味著完全移除散熱器。散熱器級機(jī)加工鋁的價格為每公斤 6 至 8 美元——并在 2021 年達(dá)到 13 年來的最高水平——這對系統(tǒng)的成本影響很大。此外，減輕重量可降低運輸成本，進(jìn)一步降低總擁有成本。

硅 IGBT 和 MOSFET 表現(xiàn)出一種稱為反向恢復(fù)的現(xiàn)象，即它們的 pn 結(jié)在導(dǎo)通狀態(tài)下充滿電，而在關(guān)斷狀態(tài)下被掃出?；謴?fù)時間、恢復(fù)電荷和恢復(fù)電流都會影響反向恢復(fù)特性和開關(guān)損耗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)在開關(guān)狀態(tài)下出現(xiàn)不受控制的振鈴和電壓過沖和下沖。這同樣適用于級聯(lián) GaN 器件，因為附加的硅 MOSFET 與常開 GaN FET 相結(jié)合。

Navitas GaNFast IC 將驅(qū)動器與增強(qiáng)型 FET 集成在一起，其中二維電子氣密度產(chǎn)生電子遷移率。由于沒有有源 pn 結(jié)，因此不存在固有的體二極管，從而導(dǎo)致器件中沒有反向恢復(fù)電荷。這顯著降低了開關(guān)損耗，并在開關(guān)事件期間提供更平滑的電壓波形，同時具有最小的振鈴，從而提高性能和系統(tǒng)可靠性并降低系統(tǒng)成本。

由于沒有恢復(fù)電荷，GaNFast IC 成為硬開關(guān)設(shè)計的理想選擇，例如半橋拓?fù)?，其中在高?cè)和低側(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)換期間發(fā)生最低開關(guān)損耗。兩個開關(guān)之間所需的死區(qū)時間可以顯著縮短，從大約 2,000 ns 降至 50 ns。對于電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，這會顯著降低轉(zhuǎn)矩脈動和可聽噪聲，從而提高系統(tǒng)的使用壽命。