使用GaN 功率 IC 提供高性能、可靠的电机驱动器第1部分

欧盟大约有 80 亿台电动机在使用，消耗了欧盟生产的近 50% 的电力。由于提高效率和减少碳足迹是政府和行业的主要目标，因此存在多项举措来降低这些电机的耗电量。例如，许多家用电器能源标签的全球标准通过降低能耗以及可听和电气噪声等来影响电器的设计。另一个例子是欧洲引入了工业电机的效率等级，有效地切断了低效率电机的市场。

因此，我们看到了感应电机的兴起，例如无刷直流 (BLDC) 电机，在相同的机械功率下体积更小、效率更高。5这些效率更高、性能更高的电机需要更复杂的电子设备才能运行。用于变速驱动器 (VSD) 或变频驱动器的脉宽调制技术通过整流交流电源为电机创建脉冲三相电压。这会提高性能，可以控制速度和扭矩，并对系统的机械设计产生积极影响。在高压电网侧实施有源功率因数校正(PFC)，提高电网稳定性，这正在成为政府制定的更严格的法规(例如，行业标准IEC61000)。

硅 IGBT 很慢

几十年来，VSD 一直使用IGBT作为他们的主要电源开关。这些传统的硅晶体管坚固耐用且具有成本效益，但开关速度较慢且损耗相对较高，因此还有改进的空间。对于许多消费类应用，尤其是那些预期在室内运行的应用，需要高于 16 kHz 的开关频率来降低可听噪声。由于其缓慢的反向恢复特性，这些更高的频率对 IGBT 具有挑战性，从而导致高开关损耗。硅 MOSFET 也已用于 VSD，但实现的功率密度低于 IGBT，尽管在满载条件下开关损耗可以更低。MOSFET 的内部体二极管恢复损耗也很差，这会增加总损耗。即使是专门设计的带有快速恢复二极管的 MOSFET，通常也比 IGBT 产品中的快速恢复二极管更慢、更灵敏。在轻负载运行中，由于其线性电流-电压关系，MOSFET 确实显示出优于 IGBT 的优势。

GaN 在电机驱动中的优势

通过在功率级中使用氮化镓，可以在逆变器和电机以及整个系统中实现效率的下一个重要步骤。基于 GaN 的器件更接近理想开关，提供显着降低的开关损耗并带来许多不同的好处。

在大多数情况下，VSD 的效率相对较高，通常为 95% 到 97%，这比电机或被驱动的机械过程要高得多。老式电机的效率为 60%，而更现代的 BLDC 电机的工作效率为 80% 或更高。由于开关损耗非常低，这些效率更高的 VSD 系统可提供更好的电气效率，从而降低系统成本，因为可以显着减少甚至去除从电源开关中散热所需的散热器。在 VSD 的典型硬开关半桥中，具有零反向恢复损耗的 GaN IC 的较低开关损耗可以比 IGBT 或 MOSFET 低 4 至 5 倍，从而将总功率损耗降低50%。在低功率应用中，这甚至可能意味着完全移除散热器。散热器级机加工铝的价格为每公斤 6 至 8 美元——并在 2021 年达到 13 年来的最高水平——这对系统的成本影响很大。此外，减轻重量可降低运输成本，进一步降低总拥有成本。

硅 IGBT 和 MOSFET 表现出一种称为反向恢复的现象，即它们的 pn 结在导通状态下充满电，而在关断状态下被扫出。恢复时间、恢复电荷和恢复电流都会影响反向恢复特性和开关损耗，从而导致系统在开关状态下出现不受控制的振铃和电压过冲和下冲。这同样适用于级联 GaN 器件，因为附加的硅 MOSFET 与常开 GaN FET 相结合。

Navitas GaNFast IC 将驱动器与增强型 FET 集成在一起，其中二维电子气密度产生电子迁移率。由于没有有源 pn 结，因此不存在固有的体二极管，从而导致器件中没有反向恢复电荷。这显着降低了开关损耗，并在开关事件期间提供更平滑的电压波形，同时具有最小的振铃，从而提高性能和系统可靠性并降低系统成本。

由于没有恢复电荷，GaNFast IC 成为硬开关设计的理想选择，例如半桥拓扑，其中在高侧和低侧开关转换期间发生最低开关损耗。两个开关之间所需的死区时间可以显着缩短，从大约 2,000 ns 降至 50 ns。对于电机驱动应用，这会显着降低转矩脉动和可听噪声，从而提高系统的使用寿命。