氮化鎵（GaN）無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 提升效率、減小尺寸和降低成本方面

本文圍繞氮化鎵（GaN）功率IC在無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)展開(kāi)研究，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，論證了其在提升效率、減小尺寸和降低成本方面的顯著效果。
*附件：GaN-Power-ICs-Drive-Efficiency-and-Size-Improvements-in-BLDC-Motor-Drive-Applications-paper.pdf

1. 引言 ：長(zhǎng)期以來(lái)，IGBT和硅MOSFET作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的功率開(kāi)關(guān)，存在反向恢復(fù)導(dǎo)致的高開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題，傳統(tǒng)硅基驅(qū)動(dòng)器效率約80%且開(kāi)關(guān)頻率低。GaN功率開(kāi)關(guān)無(wú)反向恢復(fù)，開(kāi)關(guān)損耗低，但其驅(qū)動(dòng)方案不同，集成多種電路可發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，目前針對(duì)高直流母線電壓應(yīng)用的設(shè)計(jì)較少。
   
2. GaN功率開(kāi)關(guān)選擇標(biāo)準(zhǔn) ：相比IGBT和超級(jí)結(jié)MOSFET，GaN晶體管開(kāi)關(guān)損耗低，有助于簡(jiǎn)化熱管理、減小散熱器尺寸和降低用電成本。選擇時(shí)不能僅考慮總損耗，還需關(guān)注最大電流。集成的GaN功率FET可視為數(shù)字功率級(jí)，內(nèi)置過(guò)溫、過(guò)流保護(hù)電路和無(wú)損電流檢測(cè)功能，能提升系統(tǒng)可靠性、降低成本。
3. 設(shè)計(jì)考量 ：以Navitas的NV6247半橋GaN功率IC構(gòu)建的逆變器為例，其外部元件少，集成多種功能電路。設(shè)計(jì)時(shí)需合理選擇高低側(cè)外部電容，布局遵循數(shù)據(jù)手冊(cè)建議，優(yōu)化熱阻，該電路板無(wú)散熱器時(shí)熱阻約12.5K/W 。
4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ：在特定工況下測(cè)試逆變器，300W輸出功率時(shí)效率接近99%，滿載功耗小于3W，可大幅減小散熱器尺寸。輸出300W負(fù)載時(shí)，電路板表面溫度低于60°C，該設(shè)計(jì)對(duì)異常工況耐受性強(qiáng)。
5. 結(jié)論與展望 ：Navitas的GaNSense半橋功率IC實(shí)現(xiàn)的電機(jī)逆變器功率密度高、損耗低，滿載峰值效率超99%，簡(jiǎn)化了逆變器與電機(jī)的集成，降低系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)成本，提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。未來(lái)研究方向是擴(kuò)展功率范圍至數(shù)千瓦，并探索適配不同電機(jī)以進(jìn)一步降低成本。