用于電機(jī)控制的GaN技術(shù)

基于氮化鎵 (GaN) 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件具有出色的電氣特性，是高壓和高開關(guān)頻率電機(jī)控制應(yīng)用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。我們?cè)谶@里的討論集中在 GaN HEMT 晶體管在高功率密度電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的功率和逆變器階段提供的優(yōu)勢(shì)。

GaN 的優(yōu)勢(shì)

氮化鎵是一種寬帶隙 (WBG) 材料。因此，它的禁帶(對(duì)應(yīng)于電子從價(jià)帶傳遞到導(dǎo)帶所需的能量)比硅寬得多：約 3.4 電子伏特 (eV)，而硅為 1.12 eV。GaN HEMT 更高的電子遷移率轉(zhuǎn)化為更高的開關(guān)速度，因?yàn)橥ǔＴ诮宇^中積累的電荷可以更快地分散。更快的上升時(shí)間，更低的漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(on)) 值以及使用 GaN 可實(shí)現(xiàn)的降低的柵極和輸出電容都有助于其低開關(guān)損耗和在高達(dá) 10 倍于硅的開關(guān)頻率下工作的能力。降低功率損耗會(huì)帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱和更簡(jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)。

圖 1：GaN 和硅晶體管的總體器件損耗

(圖片：德州儀器)

在高開關(guān)頻率下工作的可能性使解決方案能夠減少占位面積、重量和體積，避免使用電感器和變壓器等笨重的組件。圖 1顯示了隨著開關(guān)頻率的升高，采用硅和氮化鎵技術(shù)構(gòu)建的功率器件的導(dǎo)通和開關(guān)損耗趨勢(shì)線。對(duì)于這兩種材料，傳導(dǎo)損耗保持不變并且開關(guān)損耗增加。但隨著開關(guān)頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開關(guān)損耗仍然明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT，并且開關(guān)頻率越高，差異越明顯。

與傳統(tǒng)硅器件相比，GaN HEMT 的主要優(yōu)勢(shì)在于：

更高的壓擺率(dV/dt 為 100 V/ns 或更高)，進(jìn)而支持更快的開關(guān)速率，從而降低開關(guān)損耗;

接近零的反向恢復(fù)電荷(因?yàn)?GaN HEMT 沒有本征體二極管，因此不需要反并聯(lián)二極管，并且降低了功率損耗和電磁干擾 [EMI] 效應(yīng));

在較高溫度(最高約 300 °C)下完全運(yùn)行，而不影響開關(guān)能力;

更高的擊穿電壓(高于 600 V);

在給定的開關(guān)頻率和電機(jī)電流下，開關(guān)損耗是硅 MOSFET 的 10% 到 30%;和

更高的效率、更小的占地面積和更輕的重量。

所有這些特性都有利于在設(shè)計(jì)用于高壓和高頻電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器時(shí)使用 GaN HEMT 器件。使用 GaN HEMT，設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建具有與硅基設(shè)計(jì)相同的輸出特性但尺寸更緊湊且功率吸收更低的電動(dòng)機(jī)。

高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)

低壓、低電感、高轉(zhuǎn)速無刷電機(jī)需要典型開關(guān)頻率在 40 kHz 和 100 kHz 之間的驅(qū)動(dòng)電路，能夠最大限度地減少電機(jī)扭矩的損耗和變化。驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的常見解決方案如圖 2所示，包括一個(gè) AC/DC 轉(zhuǎn)換器、一個(gè)直流電路(如圖 2 所示)由電容器)和一個(gè) DC/AC 轉(zhuǎn)換器(逆變器)。第一級(jí)通常基于二極管或晶體管，將 50-Hz/60-Hz 主電壓轉(zhuǎn)換為近似直流電壓，隨后將其過濾并存儲(chǔ)在直流電路中，供逆變器以后使用。最后，逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為三個(gè)正弦脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)，每個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)相位。

圖 2：典型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案的簡(jiǎn)化框圖(圖片：德州儀器)

DC 電路過濾來自 AC/DC 轉(zhuǎn)換器的電壓和電流，抑制可能損壞逆變器晶體管的電壓瞬變，減少可能損壞逆變器晶體管的感應(yīng)電流，穩(wěn)定提供給負(fù)載的電壓，并提高整體效率。電容器必須在特別關(guān)鍵的條件下工作，例如高壓擺率和高電壓峰值。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)選擇電容器以確保所需的高壓特性——例如，選擇賤金屬電極 (BME) 電容器。

集成電源解決方案

回到圖 2，GaN HEMT 晶體管通常用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器級(jí)，這是高壓和高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案的最關(guān)鍵點(diǎn)。今天，一些基于 GaN 技術(shù)的集成器件已經(jīng)上市。

例如，Navitas Semiconductor 的 NV6113 集成了一個(gè) 300-mΩ、650-V 增強(qiáng)型 GaN HEMT;柵極驅(qū)動(dòng)器;和相關(guān)邏輯，全部采用 5 × 6-mm QFN 封裝。NV6113 可以承受 200 V/ns 的壓擺率，工作頻率高達(dá) 2 MHz。該器件針對(duì)高頻和軟開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化，創(chuàng)建了一個(gè)易于使用的“數(shù)字輸入、電源輸出”高性能動(dòng)力總成構(gòu)建塊。該電源 IC 將傳統(tǒng)拓?fù)?例如反激式、半橋式和諧振型)的功能擴(kuò)展到兆赫頻帶以上的開關(guān)頻率。NV6113 可以作為單個(gè)器件部署在典型的升壓拓?fù)渲校部梢圆⑿胁渴鹪诹餍械陌霕蛲負(fù)渲小?/p>

德州儀器擁有廣泛的 GaN 集成功率器件產(chǎn)品組合。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，由一個(gè)采用半橋配置的高頻 GaN FET 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。為簡(jiǎn)化該器件的設(shè)計(jì)，TI 提供了 TIDA-00909，這是一種使用三相逆變器和三個(gè) LMG5200 的高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的參考設(shè)計(jì)。TIDA-00909 提供了一個(gè)兼容接口，用于連接到 C2000 MCU LaunchPad 開發(fā)套件，以便于進(jìn)行性能評(píng)估。

圖 3：TIDA-00909 框圖(圖片：德州儀器)

　　審核編輯：湯梓紅