作者：Bill Schweber

對(duì)更高效利用能源的推動(dòng)、更嚴(yán)格的法規(guī)要求以及低溫運(yùn)行的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，所有這些都為近來(lái)降低電機(jī)功耗的舉措提供了支持。雖然硅 MOSFET 等開(kāi)關(guān)技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但它們往往無(wú)法滿(mǎn)足關(guān)鍵變頻器應(yīng)用對(duì)性能和效率的更高要求。

氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙 (WBG) FET 器件技術(shù)，在成本、性能、可靠性和易用性方面都有很大改進(jìn)和進(jìn)步，設(shè)計(jì)人員可以利用 GaN 器件達(dá)成上述目標(biāo)。GaN 器件現(xiàn)在已是主流，并已成為中等功率水平變頻器的首選。

本文探討了 [Efficient Power Conversion Corporation] (EPC) 的最新一代 GaN FET 如何幫助實(shí)現(xiàn)高性能電機(jī)變頻器。EPC 提供了評(píng)估板，可幫助設(shè)計(jì)人員熟悉 GaN 器件的特性并加速設(shè)計(jì)過(guò)程。

什么是變頻器？

變頻器的作用是生成和調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通常是無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)的功率波形。該器件通過(guò)控制電機(jī)的速度和扭矩，確保電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)和加速率，以及滿(mǎn)足其他要求。變頻器還必須確保在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)并保持所需的電機(jī)性能。

請(qǐng)注意，不應(yīng)將提供變頻輸出的電機(jī)變頻器與交流線路變頻器混淆。后者從汽車(chē)電池等電源中獲取直流電，提供固定頻率的 120/240 V 交流波形，該波形近似正弦波，可用于為線路供電的設(shè)備供電。

為什么要考慮 GaN？

與硅器件相比，GaN 器件具有更優(yōu)越的特性，包括更高的開(kāi)關(guān)速度、更低的漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(開(kāi)) ) 和更好的熱性能。較低的 R DS(開(kāi)) 使 GaN 器件能夠用于更小、更輕的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并降低功率損耗，從而在電動(dòng)自行車(chē)和無(wú)人機(jī)等應(yīng)用中節(jié)省能源和成本。較低的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)使電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率更高，從而延長(zhǎng)輕型電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的續(xù)航里程。較快的開(kāi)關(guān)速度支持低延時(shí)電機(jī)響應(yīng)，這對(duì)于機(jī)器人等需要精密電機(jī)控制的應(yīng)用而言至關(guān)重要。GaN FET 還可用于開(kāi)發(fā)功率更大、效率更高的叉車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。GaN FET 具有更高的電流處理能力，因此可用于更大、功率更高的電機(jī)。

對(duì)于終端應(yīng)用而言，最根本的好處是尺寸更小、重量更輕、功率密度和效率更高、熱性能更好。

GaN 入門(mén)

使用任何功率開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是針對(duì)中等電流和電壓的設(shè)計(jì)，都必須關(guān)注器件的細(xì)枝末節(jié)和獨(dú)有特性。GaN 器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩種：耗盡型 (d-GaN) 和增強(qiáng)型 (e-GaN)。d-GaN 開(kāi)關(guān)通常處于“接通”狀態(tài)，需要負(fù)電源，因此使用這種開(kāi)關(guān)的電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。相比之下，e-GaN 開(kāi)關(guān)是通常處于“關(guān)斷”狀態(tài)的 MOSFET，因此電路架構(gòu)更為簡(jiǎn)單。

GaN 器件本身具有雙向性，一旦其兩端的反向電壓超過(guò)柵極閾值電壓，就會(huì)開(kāi)始導(dǎo)電。此外，GaN 器件在設(shè)計(jì)上不支持雪崩工作模式，因此必須有足夠的額定電壓。對(duì)于降壓、升壓和橋式直流轉(zhuǎn)換拓?fù)?，在最?480 V 的母線電壓下，600 V 的額定電壓一般足以滿(mǎn)足要求。

雖然 GaN 開(kāi)關(guān)的基本開(kāi)/關(guān)功率切換功能很簡(jiǎn)單，但它們是功率器件，因此設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮導(dǎo)通和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)要求、開(kāi)關(guān)時(shí)序、布局、寄生影響、電流控制以及電路板上的阻抗 (IR) 壓降。

對(duì)于許多設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，利用評(píng)估套件是了解 GaN 器件功能和使用方法的最有效方式。這些套件使用不同配置和功率水平的單個(gè)或多個(gè) GaN 器件。套件還包括相關(guān)的無(wú)源元器件，例如：電容器、電感器、電阻器、二極管、溫度傳感器、保護(hù)器件和連接器。

首先介紹低功率器件

[EPC2065] 是低功率 GaN FET 的一個(gè)出色范例。其漏源電壓 (V DS ) 為 80 V，漏極電流 (I D ) 為 60 A，R DS(開(kāi)) 為 3.6 mΩ。該器件僅以帶焊條的鈍化芯片結(jié)構(gòu)提供，尺寸為 3.5 × 1.95 mm（圖 1）。

圖 1：80 V、60 A EPC2065 GaN FET 是帶一體式焊條的鈍化芯片器件。（圖片來(lái)源：EPC）

與其他 GaN 器件一樣，EPC2065 的橫向器件結(jié)構(gòu)和多數(shù)載流子二極管可提供極低的總柵極電荷 (Q G ) 和零反向恢復(fù)電荷 (Q RR )。這些特性使其非常適合需要超高開(kāi)關(guān)頻率（高達(dá)幾百千赫茲）和低導(dǎo)通時(shí)間的應(yīng)用場(chǎng)景，以及導(dǎo)通損耗占主導(dǎo)地位的場(chǎng)景。

該器件有兩個(gè)類(lèi)似的支持評(píng)估套件：[EPC9167KIT] 用于 20 A/500 W 的應(yīng)用，而更大功率的 [EPC9167HCKIT] 用于 20 A/1 kW 的應(yīng)用（圖 2）。兩者均為三相 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器評(píng)估板。

圖 2：EPC9167 評(píng)估板的底部（左）和頂部（右）。（圖片來(lái)源：EPC）

EPC9167KIT 的基本配置為每個(gè)開(kāi)關(guān)位置使用單個(gè) FET，每相可提供高達(dá) 15 A 有效值 （標(biāo)稱(chēng)值）和 20 A 有效值 （峰值）的電流。相比之下，電流更高的 EPC9167HC 配置在每個(gè)開(kāi)關(guān)位置使用兩個(gè)并聯(lián) FET，可提供高達(dá) 20 A 有效值 /30A 有效值 （標(biāo)稱(chēng)值/峰值）的最大輸出電流，這表明 GaN FET 可相對(duì)容易地進(jìn)行并聯(lián)配置，以獲得更高輸出電流?；A(chǔ) EPC9167 評(píng)估板的框圖如圖 3 所示。

圖 3：BLDC 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的基礎(chǔ) EPC9167 評(píng)估板框圖；較高功率的 EPC9167HC 每個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)了兩個(gè) EPC2065 器件，而較低功率的 EPC9167 每個(gè)開(kāi)關(guān)只有一個(gè) FET。（圖片來(lái)源：EPC）

EPC9167KIT 包含支持完整電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器的所有關(guān)鍵電路，包括柵極驅(qū)動(dòng)器、用于輔助電源的穩(wěn)壓輔助電源軌、電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)、電流檢測(cè)和保護(hù)功能。

EPC9167 可與各種兼容控制器配合使用，并得到了許多制造商的支持。通過(guò)利用現(xiàn)有資源，可將其迅速配置為電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器或 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，該器件提供多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換，支持高達(dá) 250 kHz 的脈寬調(diào)制 (PWM) 開(kāi)關(guān)頻率；在非電機(jī) DC-DC 應(yīng)用中，其工作頻率可達(dá) 500 kHz。

現(xiàn)在來(lái)到更高功率

功率處理范圍的另一端是 [EPC2302] ，這是一款具有 100 V/101 A 額定值且 R DS(開(kāi)) 僅為 1.8 mΩ 的 GaN FET。其非常適合 40 V 至 60 V 的高頻 DC-DC 應(yīng)用和 48 V BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。與 EPC2065 使用的帶焊條鈍化芯片封裝不同，這款 GaN FET 采用 3 × 5 mm 的低電感 QFN 封裝，頂部外露以實(shí)現(xiàn)出色的熱管理。

外殼頂部的熱阻很低，每瓦僅 0.2°C，因此熱行為優(yōu)異，化解了散熱難題。其裸露的頂部增強(qiáng)了頂部的熱管理，而可焊接側(cè)翼則保證了在回流焊過(guò)程中，整個(gè)側(cè)焊盤(pán)表面沾上焊料。這樣既能保護(hù)覆銅，又能在外部側(cè)翼區(qū)域進(jìn)行焊接，便于光學(xué)檢查。

與具有類(lèi)似 R DS（開(kāi)） 和額定電壓的同類(lèi)最佳硅 MOSFET 相比，EPC2302 的尺寸不到一半，而其 QG總和QGD則小得多，且 QRR為零。因此，開(kāi)關(guān)損耗和柵極驅(qū)動(dòng)器損耗更低。EPC2302 的空載時(shí)間小于 10 ns，工作效率更高，同時(shí)其零值 QRR增強(qiáng)了可靠性并減少了電磁干擾 (EMI)。

為了運(yùn)行 EPC2302，[EPC9186KIT] 電機(jī)控制器/驅(qū)動(dòng)器電源管理評(píng)估板支持高達(dá) 5 kW 的電機(jī)，可提供高達(dá) 150 A有效值和 212 A頂峰的最大輸出電流（圖 4）。

圖 4：EPC2302 的 EPC9186KIT 5 kW 評(píng)估板的頂部（左）和底部（右）。（圖片來(lái)源：EPC）

為了達(dá)到更高的額定電流，EPC9186KIT 在每個(gè)開(kāi)關(guān)位置使用四個(gè)并聯(lián) GaN FET，這表明使用這種方法可以輕松達(dá)到更高的電流水平。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，該評(píng)估板支持高達(dá) 100 kHz 的 PWM 開(kāi)關(guān)頻率，并包含支持完整電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器的所有關(guān)鍵功能，包括柵極驅(qū)動(dòng)器、穩(wěn)壓輔助電源、電壓和溫度檢測(cè)、精確電流檢測(cè)和保護(hù)功能。

總結(jié)

電機(jī)變頻器是連接基本電源和電機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)更小尺寸、更高效率、更高性能的變頻器是一個(gè)日益重要的目標(biāo)。針對(duì)用于中等功率變頻器的關(guān)鍵功率開(kāi)關(guān)器件，設(shè)計(jì)人員固然有多種工藝技術(shù)選擇，但首選是 GaN 器件，例如 EPC 提供的此類(lèi)器件。

審核編輯 黃宇