如何集成 GaN 功率級(jí)以實(shí)現(xiàn)高效的電池供電 BLDC 電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)

作者：Jens Wallmann

電池供電的應(yīng)用，如協(xié)作機(jī)器人 （cobot）、電動(dòng)自行車、工業(yè)無人機(jī)和電動(dòng)工具等，都需要體積小、重量輕、功能強(qiáng)大的電機(jī)。無刷直流 （BLDC）電機(jī)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子元件相當(dāng)復(fù)雜，有許多設(shè)計(jì)考慮因素。設(shè)計(jì)人員必須精密調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩、速度和位置，同時(shí)還要確保高精度，并將振動(dòng)、噪聲和電磁輻射（EMR） 降到最低。此外，還必須避免使用笨重的散熱器和外部線束，以節(jié)省重量、空間和成本。

設(shè)計(jì)人員常常面臨的挑戰(zhàn)是，在設(shè)計(jì)要求與時(shí)間和預(yù)算壓力之間做出平衡，同時(shí)避免出現(xiàn)代價(jià)高昂的開發(fā)錯(cuò)誤。為了應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可以利用氮化鎵 （GaN）等快速、低損耗半導(dǎo)體技術(shù)，以提供驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)所需的功率級(jí)。

本文討論了基于 GaN 的功率級(jí)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，并介紹了 EPC的一款以半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的樣本器件。文中還說明了如何使用相關(guān)開發(fā)套件來快速啟動(dòng)項(xiàng)目。在此過程中，設(shè)計(jì)人員將了解到如何利用 Microchip
Technology 的 motorBench 開發(fā)套件，以最小的編程工作量測(cè)量 BLDC 電機(jī)的參數(shù)，并在無傳感器磁場(chǎng)定向控制 （FOC）模式下操作電機(jī)。

GaN 的優(yōu)勢(shì)

為了高效控制電池應(yīng)用中的 BLDC電機(jī)，開發(fā)人員需要一種高能效、輕量化、外形尺寸較小的驅(qū)動(dòng)級(jí)，可以放在盡可能靠近致動(dòng)器的地方，例如放在電機(jī)外殼內(nèi)。

絕緣柵雙極型晶體管 （IGBT） 穩(wěn)固耐用，可以在最大 200 kHz 的頻率下切換高達(dá) 100 MW 的高功率，但不適合必須在高達(dá) 80 V電壓下對(duì)電池充電進(jìn)行管理的設(shè)備。高接觸電阻、續(xù)流二極管和開關(guān)損耗，以及關(guān)斷期間的電流拖尾，所有這些因素的組合會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真、發(fā)熱過多和雜散輻射。

與 IGBT 相比，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET）開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗和電阻損耗更低，但其柵極電容需要強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器才能在高開關(guān)頻率下工作。能夠在高頻率下工作很重要，因?yàn)檫@意味著設(shè)計(jì)人員可以使用更小的電子元器件，從而減少整體空間需求。

GaN 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 具有高載流子遷移率，能夠以極快的速度和低損耗建立和擊穿半導(dǎo)體結(jié)。集成 GaN 驅(qū)動(dòng)器（如 EPC 的EPC23102ENGRT）開關(guān)損耗極低，開關(guān)頻率則很高，支持實(shí)現(xiàn)緊湊的器件設(shè)計(jì)，適合極為狹小的空間。這款單片芯片包含一個(gè)帶有電平位移器的輸入邏輯接口、自舉加載電路和柵極驅(qū)動(dòng)電路，以半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制GaN 輸出 FET（圖 1）。芯片封裝經(jīng)過優(yōu)化，具有高散熱性能和低寄生電感。

更少的廢熱和更低的 EMR

EPC23102 輸出晶體管的典型漏源導(dǎo)通電阻 （RDS（on）） 為 5.2 mΩ（25°C 時(shí)）。該晶體管可處理高達(dá) 100 V 的電壓和最大 35A 的電流。此外，GaN 器件的橫向結(jié)構(gòu)和無本征體二極管特性，使得柵極電荷 （QG） 和反向恢復(fù)電荷 （QRR） 特別低。

與具有類似 RDS（on） 的 MOSFET 器件相比，GaN 驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)損耗最多可降至前者的五分之一。因此，基于 GaN的逆變器可以在相對(duì)較高的脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 頻率（最高可達(dá) 3 MHz）和較短的空載時(shí)間（小于 50 ns）下運(yùn)行。

GaN 半導(dǎo)體的開關(guān)速度 （dV/dt） 高、溫度系數(shù)低且采用更小寄生電感的封裝設(shè)計(jì)，最大程度減少了信號(hào)失真，進(jìn)而最大程度減少了 EMR和開關(guān)損耗。這樣就降低了對(duì)濾波策略的需求，而較小的低成本電容器和電感器則能節(jié)省電路板空間。

除了低接觸電阻 RDS（on） 外，GaN 器件還有其他優(yōu)勢(shì)，例如 GaN 基底具有高導(dǎo)熱率、器件封裝具有很大的熱接觸面積，所有這些優(yōu)勢(shì)使得 GaN功率級(jí)能夠在沒有散熱器的情況下切換高達(dá) 15 A 的電流（圖 2）。

EPC23102 還具有將電壓從低壓側(cè)轉(zhuǎn)換到高壓側(cè)通道的穩(wěn)健電平轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于在軟切換和硬切換情況下工作，甚至可在高負(fù)端電壓下工作，并避免快速dV/dt 瞬變（包括來自外部源或相鄰相位的瞬變）造成誤觸發(fā)。內(nèi)部電路集成了邏輯和自舉電源充電及禁用功能。當(dāng)供電電壓過低甚至失效時(shí)，保護(hù)功能可防止輸出 FET
意外導(dǎo)通。

即用型電機(jī)逆變器評(píng)估套件

要調(diào)試采用 GaN 技術(shù)的三相 BLDC 電機(jī)，最簡(jiǎn)單、最快捷的方法是使用 EPC 的 EPC9176KIT 電機(jī)逆變器評(píng)估套件。該套件由 EPC9176電機(jī)逆變器板和 DSP 控制器板組成，還包括一個(gè)簡(jiǎn)易的 EPC9147E 控制器插件適配器，用于通過客戶特定的主機(jī)控制器進(jìn)行控制。耦合連接器傳輸以下信號(hào)：3 ×PWM、2 × 編碼器、3 × Uphase、3 × Iphase、UDC、IDC和 2 × 狀態(tài) LED。

EPC9176 電機(jī)逆變器板是參考設(shè)計(jì)，為公司內(nèi)部電路設(shè)計(jì)提供了便利，而 EPC9147A 控制器板與 Microchip Technology 的motorBench 開發(fā)環(huán)境一起使用時(shí)，用戶無需花時(shí)間編碼或編程就能快速啟動(dòng)并運(yùn)行應(yīng)用。

該三相 BLDC 電機(jī)逆變器集成了三個(gè) EPC23102 GaN 半橋驅(qū)動(dòng)器，以控制交流或直流電機(jī)和 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器。最大 RDS（on） 為6.6 mΩ，在高達(dá) 28 A 峰值 （Apk） 或 20 A rms （ARMS） 的負(fù)載電流和高達(dá) 100 V的開關(guān)電壓下持續(xù)工作時(shí)，功率級(jí)造成的熱損耗非常小。配置為多相 DC/DC 轉(zhuǎn)換時(shí)，EPC23102 支持高達(dá) 500 kHz 的 PWM開關(guān)頻率；對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，開關(guān)頻率最高可達(dá) 250 kHz。

尺寸為 8.1 × 7.5 cm 的 EPC9176電機(jī)逆變器板包含支持完整電機(jī)逆變器所需的所有關(guān)鍵功能電路，包括直流總線電容器、柵極驅(qū)動(dòng)器、穩(wěn)定輔助電壓、相電壓、相電流和溫度測(cè)量，以及針對(duì)每相的保護(hù)功能和可選的諧波或EMR 濾波器（圖 3）。

該三相 GaN 逆變器在 14 至 65 VDC 的輸入電壓下工作，切換時(shí)不會(huì)過沖，因此轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，運(yùn)行噪聲極小。該板針對(duì)低于 10 V/ns 的 GaN典型高速開關(guān)斜坡進(jìn)行了優(yōu)化，并且可以選擇降低此開關(guān)斜坡以操作 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。此外，還可以連接兩個(gè)以不同電平工作的轉(zhuǎn)子位置傳感器（霍爾傳感器）。

無振動(dòng)的轉(zhuǎn)矩和低運(yùn)行噪聲

下面通過三相 BLDC 電機(jī)的一個(gè)實(shí)施實(shí)例展示空載時(shí)間參數(shù)化對(duì)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行和由此產(chǎn)生的噪聲的影響。對(duì)于基于 GaN FET 的半橋，其高壓側(cè)和低壓側(cè)FET 的開關(guān)轉(zhuǎn)換鎖定時(shí)間可以選擇為非常短，因?yàn)?GaN HEMT 的響應(yīng)速度極快，不像較慢的 MOSFET 那樣會(huì)產(chǎn)生寄生過沖。

圖 4（左）顯示了一款 GaN 逆變器以 500 ns 的 MOSFET 典型空載時(shí)間和 40 kHz 的 PWM頻率工作。本應(yīng)是平穩(wěn)的正弦相電流卻顯示出極高的失真，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩紋波和相應(yīng)的噪聲非常高。在圖 4（右）中，空載時(shí)間降至 50ns，所得到的正弦相電流使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，噪聲非常小。

更小的相電流紋波還意味著定子線圈的磁化損耗更低，而相電壓紋波越小，則分辨率越高，對(duì)轉(zhuǎn)矩和速度的控制就越精確，對(duì)于小型設(shè)計(jì)中使用的低電感電機(jī)更是如此。

對(duì)于需要更大功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，有兩款 GaN 逆變器板可供選擇：EPC9167HCKIT （1 kW） 和 EPC9167KIT （500W）。兩者均使用 EPC2065 GaN FET，其最大 RDS（on） 為 3.6 mΩ，最大器件電壓為 80 V。EPC9167 板在每個(gè)開關(guān)位置使用一個(gè)FET，而 EPC9167HC 有兩個(gè) FET 并行工作，提供最大 42 Apk （30 ARMS） 的輸出電流。EPC2065 GaN FET在電機(jī)控制應(yīng)用中支持高達(dá) 250 kHz 的 PWM 開關(guān)頻率，在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中支持最高 500 kHz 的開關(guān)頻率。

EPC9173KIT 中的逆變器板可提供更高的功率 — 最高 1.5 kW。該板構(gòu)成兩個(gè)單通道 EPC23101ENGRT GaN 柵極驅(qū)動(dòng)器IC（只有一個(gè)集成高壓側(cè)功率 FET）的半橋分支。該板可擴(kuò)展為降壓、升壓、半橋、全橋或 LLC 轉(zhuǎn)換器。在有適當(dāng)散熱措施的情況下，它可提供高達(dá) 50 Apk（35 ARMS） 的輸出電流，能以高達(dá) 250 kHz 的 PWM 開關(guān)頻率工作。

幾分鐘內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)行驅(qū)動(dòng)級(jí)

不必編程就能評(píng)估 EPC9176 GaN 逆變器板的最快速方法是使用 EPC9147A 控制器接口板。插件模塊 （PIM） MA330031-2 包含Microchip Technology 的 16 位 DSP dsPIC33EP256MC506-I-PT（圖 5）。

為了方便操作 DSP 控制器接口，設(shè)計(jì)人員可以使用 motorBench 開發(fā)套件，并且須為其添加：

MPLAB X IDE_V5.45 和推薦更新

代碼配置器插件（DSP 特定的編譯）

motorBench 插件 2.35（電機(jī)示例）

本討論中的示例使用 EPC9146 GaN 電機(jī)逆變器板，因此：

從針對(duì) EPC914xKIT 的 MCLV-2 或 EPC 項(xiàng)目開始，其名稱為“sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X”

用戶可以簡(jiǎn)單選擇 EPC9146 GaN 電機(jī)逆變器板的樣本十六進(jìn)制文件，并使用編程適配器（如 Microchip Technology 用于 16位微控制器的 PG164100）將其燒寫到 DSP dsPIC33EP256MC506。然后便可通過控件手動(dòng)控制所連接的 BLDC 電機(jī)（Teknic_M-3411P-LN-08D），并在無傳感器 FOC 模式下運(yùn)行。

如果電機(jī)運(yùn)行不理想或需要配置成其他工作狀態(tài)，motorBench 還提供了一個(gè)可配置的樣本文件，燒寫該文件之前須進(jìn)行編譯。如上所述，GaN電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)基本但重要的參數(shù)是空載時(shí)間，須為 50ns 或更小，在編譯 hex 文件之前務(wù)必檢查此參數(shù)。

BLDC 電機(jī)的自定義參數(shù)

要利用 motorBench IDE 定制 BLDC 電機(jī)配置以實(shí)現(xiàn)無傳感器 FOC工作，用戶可以測(cè)量其電機(jī)的參數(shù)，并在配置文件中輸入相關(guān)的值。例如，ISL Products International 的 MOT-I-81542-A電機(jī)可以作為這里的測(cè)試電機(jī)。該電機(jī)在 24 V 電壓下以 6100 rpm 的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，功耗約為 361 W。

首先必須確定以下四個(gè)電機(jī)參數(shù)：

歐姆電阻：用萬用表在定子線圈端子之間測(cè)量

電感：用萬用表在定子線圈端子之間測(cè)量

極對(duì)：要確定極對(duì)，設(shè)計(jì)人員必須將兩相短路，讓第三相開路，然后手動(dòng)計(jì)算軸轉(zhuǎn)一圈的閂鎖數(shù)量，再將結(jié)果除以 2

反電動(dòng)勢(shì) （BEMF）：用示波器在定子線圈端子之間測(cè)量。為此，設(shè)計(jì)人員必須：

將探頭夾在兩條相線上，第三條相線斷開

用手轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸，并記錄電壓響應(yīng)

測(cè)量最大正弦半波的峰間電壓 App 和周期 Thalf（圖 6）。

將確定的參數(shù)輸入到 motorBench 的子菜單 Configure/PMSM Motor（配置/PMSM電機(jī)）。為此，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)單地使用類似電機(jī)類型的 XML 配置文件，或者將參數(shù)輸入到新建的（空）配置文件，然后通過“ImportMotor”（導(dǎo)入電機(jī)）按鈕導(dǎo)入。

總結(jié)

GaN 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 具有高能效特點(diǎn)，適用于小尺寸、輕量化電池供電的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這些 IC集成于電機(jī)外殼中，得到良好的保護(hù)，簡(jiǎn)化了器件設(shè)計(jì)和安裝，并減少了維護(hù)工作。

在參考電路、基于模型的預(yù)編程 DSP 控制器和電機(jī)開發(fā)環(huán)境的支持下，BLDC 電機(jī)應(yīng)用的設(shè)計(jì)和編程人員可以縮短電路設(shè)計(jì)時(shí)間，更加專注于應(yīng)用開發(fā)。