高功率電動(dòng)機(jī)各種元件所面臨的挑戰(zhàn)

對(duì)于緊湊型且性能強(qiáng)大的電動(dòng)機(jī)的強(qiáng)烈需求給設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，為了最大限度的提高小型電動(dòng)機(jī)的輸出功率，工程師們正考慮采用高壓和高頻的方式，MOSFET(金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)和IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)—傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)逆變器（現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)控制的關(guān)鍵元件）的基礎(chǔ)—正在努力滿足這方面的需求。然而功率密度和擊穿電壓閾值有限，這就限制了驅(qū)動(dòng)電壓，高頻操作的快速開(kāi)關(guān)會(huì)增加功率損耗，造成的結(jié)果是效率低下，發(fā)熱嚴(yán)重。

GaN HEMT(氮化鎵晶體管)可以替代高壓高頻電動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的MOSFET和IGBT器件，這類參數(shù)比較寬的半導(dǎo)體器件為大功率密度電動(dòng)機(jī)開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，它們可以處理更高的電壓、電流、溫度和開(kāi)關(guān)頻率，而且功率損耗要比硅晶體管低得多，集成GaN HEMT和驅(qū)動(dòng)逆變器的高功率密度電動(dòng)機(jī)的商業(yè)應(yīng)用也正在推動(dòng)更多新技術(shù)的發(fā)展。

GaN HEMT逆變器采用了新一代陶瓷電容器，它能夠承受高壓峰值和浪涌，這些電壓峰值浪涌可能會(huì)使傳統(tǒng)的直流組件承受過(guò)大的壓力而損壞，這些元件是高功率電動(dòng)機(jī)所必須的。

電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)展

設(shè)計(jì)師們要求采用體積更小、重量更輕的電動(dòng)機(jī)來(lái)改善現(xiàn)有的產(chǎn)品，并且需要能夠廣泛的應(yīng)用，采用高電壓和控制頻率有望解決這些問(wèn)題。

采用高壓操作的優(yōu)勢(shì)

電動(dòng)機(jī)額定功率的計(jì)算公式是電源電壓乘以電流（V x A），傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的電壓比較低（小于1000V），需要電動(dòng)機(jī)在較大電流下運(yùn)行才會(huì)產(chǎn)生更大的輸出功率，大電流的缺點(diǎn)是需要更大的線圈，這會(huì)增加回路的電阻值，會(huì)造成效率低下和發(fā)熱嚴(yán)重，如果采用高電壓（大于10KV）就可以降低電流使用較小的線圈，這種方式的缺點(diǎn)是電阻相關(guān)組件（包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器件）必須能夠承受較高的電壓，可選擇的器件會(huì)減少同時(shí)會(huì)增加成本，第二個(gè)缺點(diǎn)是小線圈的電感繞組較低，這樣不能抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電流擾動(dòng)，這種電流大小變化會(huì)導(dǎo)致電磁干擾（EMI）問(wèn)題。

采用高頻操作的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的類型是三相交流（AC）電動(dòng)機(jī)，它是對(duì)電動(dòng)機(jī)的每一相繞組依次施加電流來(lái)驅(qū)動(dòng)的，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)受到繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速和工作頻率成正比（圖1）。

圖1：作用與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的每一相正弦信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)（來(lái)源：科學(xué)雜志）

脈沖調(diào)制（PWM）會(huì)疊加在基礎(chǔ)的工作頻率上，可以有效的控制啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)，半導(dǎo)體晶體管（通常是MOSFET或IGBT）的開(kāi)關(guān)操作決定了PWM的波形。

高頻PWM的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是減少了電流波動(dòng)（整流后交流輸入的影響），這避免了小型線圈的一個(gè)缺點(diǎn)。減小電流波動(dòng)需要更小、更便宜的無(wú)源器件來(lái)進(jìn)行濾波，高頻操作還可以減少轉(zhuǎn)矩的不平衡，即不均勻的電動(dòng)勢(shì)，這些不均勻的電動(dòng)勢(shì)是由于輸入到電動(dòng)機(jī)線圈的正弦信號(hào)不夠完美造成的，它會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和過(guò)度的磨損。

總體來(lái)說(shuō)高頻開(kāi)關(guān)增加了功率密度（單位體積輸出的功率），因此即使小型的電動(dòng)機(jī)也能輸出與大型電動(dòng)機(jī)相同的功率。

傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式已經(jīng)達(dá)到了極限

傳統(tǒng)的三相交流電動(dòng)機(jī)的電壓可達(dá)到1000V，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到20KHz，這些操作參數(shù)完全在價(jià)低低廉且商業(yè)上廣泛應(yīng)用的MOSFET器件能力范圍之內(nèi)，這種MOSFET器件用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)最后階段的逆變器。

然而硅晶體管在大功率電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了極限，首先元件的擊穿電壓相對(duì)較低，限制了電源電壓；第二是晶體管的開(kāi)關(guān)功耗，由晶體管從打開(kāi)到關(guān)閉的電阻和電容值造成的，功率損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了效率的提升；第三是由于開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)器件會(huì)達(dá)到一個(gè)閾值，超過(guò)這個(gè)閾值就不能進(jìn)行高頻操作了。

IGBT器件較高的擊穿電壓提供了一些喘息的機(jī)會(huì)，允許工程師增大工作電壓和工作頻率，但是當(dāng)工作頻率上升到50KHz以上時(shí)，IGBT就會(huì)產(chǎn)生不可接受的開(kāi)關(guān)功耗，而且開(kāi)關(guān)操作的速度也受到影響。

GaN HEMT(氮化鎵晶體管)的優(yōu)勢(shì)

雖然硅是電子工業(yè)的支柱，但是其他半導(dǎo)體通常需要用于高壓高頻操作或者需要耐高溫的場(chǎng)合，這些可替代的半導(dǎo)體器件特性都比較寬泛，而且利用電子來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，與硅器件相比它們顯著的改變了材料的電氣性能，這類半導(dǎo)體器件的帶隙范圍是2-4eV，而硅器件的帶隙范圍是1-1.5eV。GaN是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證商業(yè)上可用的一個(gè)例子。

寬禁帶(WBG)器件的特性

在MOSFET器件中當(dāng)溫度高達(dá)100℃開(kāi)關(guān)操作會(huì)失靈，因?yàn)橐恍╇娮蛹訜岷髸?huì)獲得足夠的能量（而不是開(kāi)關(guān)電壓）從原子脫離。因?yàn)閃BG器件的電子需要獲得更多的能量才能夠從原子本身脫離，只有溫度達(dá)到300℃才會(huì)讓GaN晶體管產(chǎn)生同樣的效果。

WBG半導(dǎo)體的擊穿電壓（大于600V）要遠(yuǎn)高于硅，造成這種情況的原因很復(fù)雜，但部分原因是由于電子飽和速度的特性（也稱為電子遷移率），較高的遷移率使得WBG半導(dǎo)體材料能夠承受兩倍于硅材料的電流密度（A/cm2），該特性使得GaN HEMT器件開(kāi)關(guān)切換的時(shí)間是MOSFET器件的四分之一左右。

由于存在寄生電阻和電極電阻所有半導(dǎo)體晶體管都表現(xiàn)出一種常態(tài)化的功率損耗，其他因素比如電極間的電容也會(huì)造成功率損耗，每當(dāng)晶體管開(kāi)關(guān)操作時(shí)就會(huì)造成功率損耗，因此損耗與開(kāi)關(guān)頻率和電機(jī)電流成正比。GaN HEMT的寄生電阻和電極電阻約為MOSFET的一半，電極間的電容約為五分之一，這種差異表明，在給定的開(kāi)關(guān)頻率和電機(jī)電流情況下GaN HEMT的開(kāi)關(guān)損耗約為MOSFET的10-30%，與MOSFET相比IGBT在高頻率下表現(xiàn)出更低的開(kāi)關(guān)損耗，但是效率仍然比GaN HEMT低很多。

GaN HEMT的最后一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是晶體管不會(huì)發(fā)生反向恢復(fù)電荷（即當(dāng)硅MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)剩余的少數(shù)載流子會(huì)耗散），這將會(huì)導(dǎo)致MOSFET開(kāi)關(guān)電流超調(diào)（振響），從而產(chǎn)生EMI現(xiàn)象。