電機(jī)設(shè)計中對于GaN HEMT的使用

電機(jī)設(shè)計中對于GaN HEMT的使用

GaN HEMT的電氣特性使得工程師們選擇它來設(shè)計更加緊湊、承受高壓和高頻的電動機(jī)，綜上所述這類器件有如下優(yōu)點(diǎn)：

較高的擊穿電壓，允許使用更高（大于1000V）的輸入電壓

較高的電流密度，使得GaN組件在不降低功率的情況下設(shè)計得更緊湊

快速開關(guān)能力，支持高頻（200KHz及以上）電機(jī)運(yùn)行

高頻操作，限制輸出電流波動，減小濾波器元件尺寸

降低開關(guān)功耗，限制功率損失，提供效率

耐高溫，允許使用較小的散熱器

高度集成，允許在芯片上集成GaN HEMT（與硅材料不同）

較少BOM材料，簡化設(shè)計方案，在電機(jī)驅(qū)動方案中GaN HEMT可以處理各種電流，而不需要IGBT所需的反向二極管。

這些優(yōu)點(diǎn)讓工程師能夠設(shè)計出高度緊湊的電動機(jī)，其輸出功率與傳統(tǒng)電機(jī)相同，體積僅為傳統(tǒng)電機(jī)的二分之一，而且功耗低得多，唯一的缺點(diǎn)是GaN HEMT設(shè)計需要更高水平的電路開發(fā)和測試的專業(yè)知識。

集成解決方案最大限度的提高GaN HEMT器件帶來的好處

直到最近MOSFET和IGBT器件相比GaN HEMT的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它們廣泛的商業(yè)可用性，但是現(xiàn)在工程師們已經(jīng)能夠很容易的使用GaN HEMT技術(shù)了，更好的消息是硅供應(yīng)商現(xiàn)在可以提供基于GaN HEMT的集成解決方案，大大簡化了高壓高頻交流電機(jī)的逆變器設(shè)計。

在此之前GaN HEMT被包裝成一個帶有獨(dú)立驅(qū)動的分立器件，因?yàn)?a target="_blank">晶體管和驅(qū)動元件是基于不同工藝技術(shù)的，而且通常由不同的制造商提供，這種的缺點(diǎn)是存在寄生電阻和電感之間的連接導(dǎo)線，增加了開關(guān)損耗。將GaN HEMT和驅(qū)動元件集成在相同的框架內(nèi)可以消除共源電感，這在快速開關(guān)電路中尤其的重要，因?yàn)椴恍枰碾姼袝a(chǎn)生振響，從而可能導(dǎo)致電流保護(hù)電路出現(xiàn)故障。集成封裝的第二個關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是可以在驅(qū)動元件中內(nèi)置熱傳感器，確保在過熱情況下GaN HEMT損壞之前關(guān)閉。

TI（德州儀器）推出了一款基于GaN HEMT、高速驅(qū)動和保護(hù)機(jī)制的功率級器件LMG3410R070（圖2），這款產(chǎn)品是行業(yè)內(nèi)首款600V GaN集成功率級器件，采用的是8mm X 8mm QFN封裝的多芯片模塊（MCM），方便工程師方案設(shè)計。導(dǎo)通電阻非常低，僅70mΩ，這款門驅(qū)動器內(nèi)置了降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，從而可以產(chǎn)生負(fù)電壓來關(guān)閉GaN HEMT。

圖2：TI推出的LMG3410R070功率級器件集成了GaN HEMT和驅(qū)動器（來源：德州儀器）

LMG3410R070 GaN功率級器件的一個關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是在硬切換時控制轉(zhuǎn)換速率，這種控制對于抑制PCB寄生電阻和EMI具有重要意義，TI這款產(chǎn)品采用可編程電流來驅(qū)動GaN門，使得轉(zhuǎn)換速率可以設(shè)定在30~100V/ns之間。

兩個LMG3410R070 GaN功率級器件可以組成半橋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速的硬切換操作，降低開關(guān)損耗，消除寄生電感和反向電荷，這些都是設(shè)計人員驅(qū)動大功率電機(jī)不同階段所需要的（圖3）。

圖3：該應(yīng)用電路原理圖展示了兩個TI GaN功率級器件組成的半橋結(jié)構(gòu)，可以用來驅(qū)動三相電機(jī)的某一相（來源：德州儀器）

搭建高性能電機(jī)的驅(qū)動器

一個完整的交流電機(jī)驅(qū)動解決方案（圖4）有三個部分組成：整流器（交流/直流轉(zhuǎn)換器）、直流電路和逆變器（直流/交流轉(zhuǎn)換器）

圖4：該電機(jī)驅(qū)動解決方案原理圖說明了直流電路部分電容放置的位置。（來源：KEMET）

整流器通常是采用二極管或晶體管拓?fù)?，將?biāo)準(zhǔn)的50或60Hz的交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，整流器輸出的直流電源經(jīng)過過濾并存儲在直流電路部分，然后輸入給逆變器，逆變器會將直流電源轉(zhuǎn)換成三個正弦的PWM信號，用來驅(qū)動三相交流電機(jī)。

直流電路部分起到的作用如下：

對整流器輸出的電壓和電流進(jìn)行過濾

消除整流器輸出電壓的毛刺，否則可能會損壞逆變器的晶體管

提高電路效率

消除可能損壞晶體管的感應(yīng)電流

確保電力能夠平穩(wěn)傳輸?shù)截?fù)載

直流部分通常采用單個電容器，設(shè)計在電機(jī)驅(qū)動電路的整流器和逆變器兩級之間，雖然直流部分易于實(shí)現(xiàn)，但是它對于電機(jī)的整體性能和效率的重要性使得元件的選擇至關(guān)重要。

直流部分的設(shè)計還是具有挑戰(zhàn)性的，涉及到高速率的電壓轉(zhuǎn)換(dV/dt)和高電壓峰值，因此設(shè)計人員要選擇能夠承受這種壓力的器件非常重要，KEMET推出的KC-LINK電容采用的是陶瓷（鋯酸鈣，CaO3Zr）材料和鎳電極，是非常好的選擇，它是專門為高壓、高頻電路而設(shè)計的。

KC-LINK器件的關(guān)鍵特性是非常低的等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），這樣有助于提高系統(tǒng)效率，特別是在高壓應(yīng)用中，此外電容能夠在高頻和高溫下工作這是下一代電機(jī)所必須的，電容器要能夠承受10MHz的頻率，溫度范圍從-55~150℃，該器件的另一個特性是電容不會隨電壓變化而發(fā)生漂移，這是經(jīng)過AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的。

總結(jié)

WBG半導(dǎo)體器件的商業(yè)可用性，比如電機(jī)逆變器的GaN HEMT和直流部分的高性能電容器正在不斷滿足設(shè)計人員對于大功率電機(jī)驅(qū)動的可靠性需求，這些關(guān)鍵部件讓設(shè)計人員能夠提升現(xiàn)有的產(chǎn)品，是電機(jī)變得更加緊湊、輕便而且價格更低，同時使得電機(jī)的使用范圍擴(kuò)大到更廣泛的新型應(yīng)用領(lǐng)域，此外新一代高功率電機(jī)將大大降低能源需求，為綠色地球作出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵要點(diǎn)

高頻高壓電機(jī)會增強(qiáng)功率，提升效率

電機(jī)應(yīng)用中高頻驅(qū)動逆變器的快速切換如果采用傳統(tǒng)的MOSFET和IGBT會產(chǎn)生不可接受的損耗、

WBG半導(dǎo)體晶體管比如GaN能夠克服這些問題

集成GaN HEMT和驅(qū)動器方案現(xiàn)在已經(jīng)可以應(yīng)用于電機(jī)系統(tǒng)中

能夠承受高壓條件的高性能電容也可以應(yīng)用到需要高壓高頻電機(jī)驅(qū)動電路的直流部分