使用GaN 功率 IC 提供高性能、可靠的电机驱动器第2部分

自主、可靠的电源：GaNFAST 与 GanSENSE

硅和碳化硅中的 IGBT 和 MOSFET 以类似方式驱动。该器件在 10-20 V 的栅极驱动下开启，通常关闭至 0 V 或负电压以实现更高的功率水平。分立增强型 GaN 器件通常需要 5-7 V 的栅极驱动，并且可能还需要负电压来关闭它们。如果没有正确优化，性能和可靠性都会受到影响。这是因为，虽然 GaN 是一种先进材料，但分立 GaN FET 确实有一个致命弱点：一个必须小心驱动的栅极节点。如果栅极上的电压过低，则 FET 没有完全导通，因此导通电阻和损耗都很高。如果电压太高，可能会损坏栅极。

为了解决这个问题，GaNFast 功率 IC 将 GaN 功率 (FET) 和 GaN 驱动以及控制和保护集成在一个表面贴装封装中。结果是可靠、易于使用、高速、高性能、“数字输入、电源输出”的构建块。自 2018 年初获得认证以来，GaNFast IC 已成为行业领先的快速和超快速移动充电器解决方案，客户包括三星、戴尔、联想和 LG。截至 2022 年 3 月，已出货超过 4000 万台，与 GaN 相关的现场故障报告为零。

结果是优化和可重复的逆变器性能，实现了出色的可靠性。电源开关可以通过简单的数字信号进行控制，去除大量外部元件，并提高尺寸和元件数量，甚至超越硅解决方案。8这对于紧凑型电机驱动器来说是个好消息，其中 VSD 的尺寸现在可以变得如此之小，以至于它可以很容易地装入电机外壳中。

2021 年，采用 GaNSense 技术的新型 GaNFast 功率 IC 引入了系统感应功能，例如过热和过流检测，以及自主自我保护能力。与分立硅或分立 GaN 方法相比，GaNSense 技术仅能在 30 ns 内“检测和保护”——比硅或 GaN 分立器件快 6 倍——提高了系统级可靠性。

无损电流检测可以去除大而昂贵的分流电阻器，进一步减小系统尺寸和成本，同时保持快速过流保护以提高系统稳健性。这在用于工厂自动化的工业电机驱动中非常重要，并有助于设计人员在其产品中实施功能安全概念。

过温保护电路可以对封装中的电源开关进行温度测量，而散热器上的温度传感器的精度要低得多。这对于许多工业和消费电机驱动应用很重要，在这些应用中，冷却系统可以通过液体流速或冷却风扇进行调整。内置的过温保护电路会在温度过高的情况下关闭 GaN IC，从而保护系统。

电机逆变器已经以多种不同的方式实现，主要使用 IGBT 的低成本和电流处理能力。比较了当今可用的方法(以分立 IGBT 作为基准)：

· 智能电源模块将一个栅极驱动器与六个电源开关组合在一个封装中，从而节省系统尺寸和组件数量，同时减少设计工作。

· 硅 MOSFET，尤其是超结 MOSFET，已在电机驱动中得到越来越多的使用，从而提高了轻负载效率。使用 SiC MOSFET 可以在全负载范围内获得更好的效率，但会缩短短路耐受时间。

· 分立的 GaN FET 有助于进一步降低功耗，但设计人员需要实现复杂的栅极驱动电路。GaN 级联组件可以提供标准栅极驱动，但代价是更高的功率损耗和成本。

· 具有 GaNSense 的 GaNFast IC 可实现 GaN FET 的固有效率，而无需处理复杂的栅极驱动电路。无损电流感应消除了分流电阻器并提高了效率、空间和成本，而集成保护电路可实现稳健的逆变器解决方案，只需很少的设计工作。

集成驱动性能

并非每个电机驱动器都是相同的，消费和工业应用的趋势集中在提高能效、性能、系统成本、总拥有成本以及减小尺寸和重量上。这对世界各地的设计团队来说是一个巨大的挑战，他们面临着减少设计时间和上市时间同时改善最终客户体验的压力。下一代电机驱动系统将利用 GaN FET 性能和先进的传感技术，提供必要的稳健性和保护，让您高枕无忧。