用于1kW以上電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的集成電路GaN逆變器

自問世以來，氮化鎵技術(shù)開啟了電力電子領(lǐng)域的新紀(jì)元。GaN 技術(shù)的三個(gè)最重要的參數(shù)是更高的帶隙、臨界場和電子遷移率。當(dāng)這些參數(shù)結(jié)合起來時(shí)，由于 GaN 晶體的臨界場高出 10 倍，因此與硅 MOSFET 相比，電氣端子可以更接近 10 倍。這導(dǎo)致 GaN 和硅之間有一個(gè)明顯的區(qū)別因素：中壓 GaN 器件可以建立在平面技術(shù)上，而這對于硅器件來說成本過高。為了具有競爭力，硅器件采用垂直技術(shù)制造，因此在同一芯片中不可能有兩個(gè)功率器件。EPC 的 GaN-on-Si 平面技術(shù)沒有這個(gè)必須垂直構(gòu)建的限制，

圖 1：EPC GaN 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)功率器件與柵極驅(qū)動(dòng)器邏輯的集成。

GaN IC 功率級芯片組 — EPC23101 與 EPC2302 組合

從分立橫向 eGaN FET 器件開始，EPC 迅速轉(zhuǎn)向更高的集成度。2019 年，ePower Stage IC 系列產(chǎn)品重新定義了功率轉(zhuǎn)換，將所有必要的電源系統(tǒng)級芯片功能集成到單個(gè) GaN-on-Si IC 中，具有更高的電壓和更高的頻率水平——超出了硅的范圍。最近，在 2021 年，結(jié)合 EPC2302 功率級芯片組的 EPC23101 被推向市場（圖 2）。

EPC23101 是一款額定電壓為 100V 的單片組件，集成了輸入邏輯接口、電平轉(zhuǎn)換、自舉充電和柵極驅(qū)動(dòng)緩沖電路，以及一個(gè)高側(cè) 2.6mΩ 典型 R DS(on) GaN 輸出 FET。EPC23101 IC 僅需要一個(gè)外部 5V (V DRV ) 電源。內(nèi)部低側(cè)和高側(cè)電源 V DD和 V BOOT由外部電源通過串聯(lián)開關(guān)和同步自舉開關(guān)產(chǎn)生。通過將 EN 引腳連接到 V DRV可以禁用內(nèi)部電路以降低靜態(tài)功耗。

圖 2：EPC23101 結(jié)合 EPC2302 GaN IC 芯片組框圖

圖 3：EPC9173 BLDC 逆變器功能框圖

帶有 EPC23101 的 EPC9173 電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)

為了展示 EPC23101 IC 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中的功能，EPC 發(fā)布了 EPC9173 參考設(shè)計(jì)。在此板上，三相逆變器的每個(gè)半橋都包含兩個(gè) EPC23101 IC，它們的 PWM 信號(hào)交叉連接，允許插入源分流器來讀取電流，如圖 3 所示，部分原理圖.

通過將同一 IC 用于低側(cè)開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)平衡半橋逆變器，并且兩個(gè)開關(guān)都可以相對于電源地浮動(dòng)。這使得源分流器的插入更容易，避免了輸入 PWM 信號(hào)節(jié)點(diǎn)上的接地反彈。EPC9173 板包括一個(gè)過流檢測電路，可用作過流或限流功能，具體取決于所需的算法和調(diào)制。

應(yīng)用

PWM頻率增加和死區(qū)時(shí)間減少

GaN IC 和 FET 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中具有多項(xiàng)優(yōu)勢。最容易理解的優(yōu)勢是減小了逆變器尺寸，這是由于 GaN FET 和 IC 的固有尺寸比等效 MOSFET 更小。然而，為了充分利用新技術(shù)，最好以更高的 PWM 頻率運(yùn)行電機(jī)，從而減少死區(qū)時(shí)間。2

提高開關(guān)頻率有助于減少輸入濾波器并消除對電解電容器的需求。表 1 顯示了兩個(gè)逆變器之間的比較——一個(gè)運(yùn)行在 20kHz、500ns 死區(qū)時(shí)間，另一個(gè)基于 GaN，運(yùn)行在 100kHz、14ns 死區(qū)時(shí)間——如表 1 所示。電機(jī)效率更高，因?yàn)橄嗽S多浪費(fèi)能源的諧波。

表 1：20-kHz、500-ns 逆變器與 100-kHz、14-ns GaN 逆變器與減少輸入濾波器的比較2

電機(jī)中具有低 L/R 時(shí)間常數(shù)的應(yīng)用

所有需要高電頻率和快速動(dòng)態(tài)的應(yīng)用，例如無人機(jī)螺旋槳和電動(dòng)自行車踏板電機(jī)，都使用非常低電感（個(gè)位數(shù) - 微亨利范圍）的電機(jī)。隨著通過更好的材料和更高強(qiáng)度的永磁體實(shí)現(xiàn)的更有效的磁路設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，可以減少電磁相上的匝數(shù)，并且仍然產(chǎn)生相同的反電動(dòng)勢。

電流隨時(shí)間的上升與電壓與電感的比有關(guān)，隨著電感的減小，電流上升得更快，PWM 感應(yīng)電流紋波也是如此。電流上升時(shí)間縮短和紋波增大會(huì)增加產(chǎn)生的熱量并產(chǎn)生額外的 EMI 噪聲，這是不可取的。通常，這些電機(jī)的時(shí)間常數(shù)τ = L / R很小，可以從 100kHz 的 PWM 頻率中受益。

輸入電流和電壓紋波

逆變器中的輸入電壓紋波 Δv in與輸出相電流成正比，與 PWM 頻率和輸入電容成反比，如下式所示：

所需的紋波Δv取決于從直流電源到逆變器的電纜產(chǎn)生的輻射所給出的 EMI 約束。如果 PWM 頻率在 20 kHz 范圍內(nèi)，則所需的輸入電容 ( C in ) 實(shí)際上只能通過使用體積較大且可靠性不如陶瓷電容器的電解電容器來獲得。此外，電解電容器受到可以流過它們的 RMS 電流的限制。當(dāng)頻率提高到 100 kHz 時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用 X7R 等陶瓷電容器。EPC9173 參考設(shè)計(jì)同時(shí)提供電解電容器和陶瓷電容器，讓設(shè)計(jì)人員有機(jī)會(huì)選擇他們喜歡的開關(guān)頻率，并根據(jù)需要添加或移除電容器。

梯形調(diào)制電動(dòng)工具

許多電動(dòng)工具應(yīng)用仍在使用梯形調(diào)制方案和相關(guān)的逆變器原理圖。對于逐周期限流方案和低電感電機(jī)，PWM 頻率越低，電流紋波越高。這反過來又會(huì)產(chǎn)生熱量和不必要的功耗。使用具有相同梯形方案的 GaN 逆變器可以提高 PWM 頻率，然后降低電流紋波，從而獲得更高的效率、更少的熱量和更少的振動(dòng)。

結(jié)論

在處理電機(jī)應(yīng)用時(shí)，如果提高 PWM 頻率，大幅減少死區(qū)時(shí)間，并將輸入電容從電解電容轉(zhuǎn)換為陶瓷電容，GaN 逆變器可以提高系統(tǒng)效率。使用 EPC 的新型 GaN IC，例如 EPC2152 和 EPC23101，可以提高功率密度和系統(tǒng)效率，同時(shí)節(jié)省大量系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

審核編輯：湯梓紅