如何利用 GaN 功率器件实现出色的中等功率电机变频器

来源：DigiKey
作者：Bill Schweber

对更高效利用能源的推动、更严格的法规要求以及低温运行的技术优势，所有这些都为近来降低电机功耗的举措提供了支持。虽然硅 MOSFET 等开关技术已得到广泛应用，但它们往往无法满足关键变频器应用对性能和效率的更高要求。

氮化镓 (GaN) 是一种宽带隙 (WBG) FET 器件技术，在成本、性能、可靠性和易用性方面都有很大改进和进步，设计人员可以利用 GaN 器件达成上述目标。GaN 器件现在已是主流，并已成为中等功率水平变频器的首选。

本文探讨了 Efficient Power Conversion Corporation (EPC) 的最新一代 GaN FET 如何帮助实现高性能电机变频器。EPC 提供了评估板，可帮助设计人员熟悉 GaN 器件的特性并加速设计过程。

什么是变频器？

变频器的作用是生成和调节驱动电机，通常是无刷直流 (BLDC) 电机的功率波形。该器件通过控制电机的速度和扭矩，确保电机平稳启动和停止，实现反转和加速率，以及满足其他要求。变频器还必须确保在负载发生变化时仍能实现并保持所需的电机性能。

请注意，不应将提供变频输出的电机变频器与交流线路变频器混淆。后者从汽车电池等电源中获取直流电，提供固定频率的 120/240 V 交流波形，该波形近似正弦波，可用于为线路供电的设备供电。

为什么要考虑 GaN？

与硅器件相比，GaN 器件具有更优越的特性，包括更高的开关速度、更低的漏源导通电阻 (RDS(ON)) 和更好的热性能。较低的 RDS(ON) 使 GaN 器件能够用于更小、更轻的电机驱动器，并降低功率损耗，从而在电动自行车和无人机等应用中节省能源和成本。较低的开关损耗会使电机驱动效率更高，从而延长轻型电动汽车 (EV) 的续航里程。较快的开关速度支持低延时电机响应，这对于机器人等需要精密电机控制的应用而言至关重要。GaN FET 还可用于开发功率更大、效率更高的叉车电机驱动器。GaN FET 具有更高的电流处理能力，因此可用于更大、功率更高的电机。

对于终端应用而言，最根本的好处是尺寸更小、重量更轻、功率密度和效率更高、热性能更好。

GaN 入门

使用任何功率开关器件进行设计，尤其是针对中等电流和电压的设计，都必须关注器件的细枝末节和独有特性。GaN 器件的内部结构有两种：耗尽型 (d-GaN) 和增强型 (e-GaN)。d-GaN 开关通常处于“接通”状态，需要负电源，因此使用这种开关的电路设计较为复杂。相比之下，e-GaN 开关是通常处于“关断”状态的 MOSFET，因此电路架构更为简单。

GaN 器件本身具有双向性，一旦其两端的反向电压超过栅极阈值电压，就会开始导电。此外，GaN 器件在设计上不支持雪崩工作模式，因此必须有足够的额定电压。对于降压、升压和桥式直流转换拓扑，在最高 480 V 的母线电压下，600 V 的额定电压一般足以满足要求。

虽然 GaN 开关的基本开/关功率切换功能很简单，但它们是功率器件，因此设计人员必须仔细考虑导通和关断驱动要求、开关时序、布局、寄生影响、电流控制以及电路板上的阻抗 (IR) 压降。

对于许多设计人员来说，利用评估套件是了解 GaN 器件功能和使用方法的最有效方式。这些套件使用不同配置和功率水平的单个或多个 GaN 器件。套件还包括相关的无源元器件，例如：电容器、电感器、电阻器、二极管、温度传感器、保护器件和连接器。

首先介绍低功率器件

EPC2065 是低功率 GaN FET 的一个出色范例。其漏源电压 (VDS) 为 80 V，漏极电流 (ID) 为 60 A，RDS(ON) 为 3.6 mΩ。该器件仅以带焊条的钝化芯片结构提供，尺寸为 3.5 × 1.95 mm（图 1）。


图 1：80 V、60 A EPC2065 GaN FET 是带一体式焊条的钝化芯片器件。（图片来源：EPC）

与其他 GaN 器件一样，EPC2065 的横向器件结构和多数载流子二极管可提供极低的总栅极电荷 (QG) 和零反向恢复电荷 (QRR)。这些特性使其非常适合需要超高开关频率（高达几百千赫兹）和低导通时间的应用场景，以及导通损耗占主导地位的场景。

该器件有两个类似的支持评估套件：EPC9167KIT 用于 20 A/500 W 的应用，而更大功率的 EPC9167HCKIT 用于 20 A/1 kW 的应用（图 2）。两者均为三相 BLDC 电机驱动变频器评估板。


图 2：EPC9167 评估板的底部（左）和顶部（右）。（图片来源：EPC）

EPC9167KIT 的基本配置为每个开关位置使用单个 FET，每相可提供高达 15 ARMS（标称值）和 20 ARMS（峰值）的电流。相比之下，电流更高的 EPC9167HC 配置在每个开关位置使用两个并联 FET，可提供高达 20 ARMS/30 ARMS（标称值/峰值）的最大输出电流，这表明 GaN FET 可相对容易地进行并联配置，以获得更高输出电流。基础 EPC9167 评估板的框图如图 3 所示。


图 3：BLDC 驱动应用中的基础 EPC9167 评估板框图；较高功率的 EPC9167HC 每个开关并联了两个 EPC2065 器件，而较低功率的 EPC9167 每个开关只有一个 FET。（图片来源：EPC）

EPC9167KIT 包含支持完整电机驱动变频器的所有关键电路，包括栅极驱动器、用于辅助电源的稳压辅助电源轨、电压检测、温度检测、电流检测和保护功能。

EPC9167 可与各种兼容控制器配合使用，并得到了许多制造商的支持。通过利用现有资源，可将其迅速配置为电机驱动变频器或 DC-DC 转换器，从而实现快速开发。在电机驱动应用中，该器件提供多相 DC-DC 转换，支持高达 250 kHz 的脉宽调制 (PWM) 开关频率；在非电机 DC-DC 应用中，其工作频率可达 500 kHz。

现在来到更高功率

功率处理范围的另一端是 EPC2302，这是一款具有 100 V/101 A 额定值且 RDS(ON) 仅为 1.8 mΩ 的 GaN FET。其非常适合 40 V 至 60 V 的高频 DC-DC 应用和 48 V BLDC 电机驱动器。与 EPC2065 使用的带焊条钝化芯片封装不同，这款 GaN FET 采用 3 × 5 mm 的低电感 QFN 封装，顶部外露以实现出色的热管理。

外壳顶部的热阻很低，每瓦仅 0.2°C，因此热行为优异，化解了散热难题。其裸露的顶部增强了顶部的热管理，而可焊接侧翼则保证了在回流焊过程中，整个侧焊盘表面沾上焊料。这样既能保护覆铜，又能在外部侧翼区域进行焊接，便于光学检查。

与具有类似 RDS(on) 和额定电压的同类最佳硅 MOSFET 相比，EPC2302 的尺寸不到一半，而其 QG 和 QGD 则小得多，且 QRR 为零。因此，开关损耗和栅极驱动器损耗更低。EPC2302 的空载时间小于 10 ns，工作效率更高，同时其零值 QRR 增强了可靠性并减少了电磁干扰 (EMI)。

为了运行 EPC2302，EPC9186KIT 电机控制器/驱动器电源管理评估板支持高达 5 kW 的电机，可提供高达 150 ARMS 和 212 APEAK 的最大输出电流（图 4）。


图 4：EPC2302 的 EPC9186KIT 5 kW 评估板的顶部（左）和底部（右）。（图片来源：EPC）

为了达到更高的额定电流，EPC9186KIT 在每个开关位置使用四个并联 GaN FET，这表明使用这种方法可以轻松达到更高的电流水平。在电机驱动应用中，该评估板支持高达 100 kHz 的 PWM 开关频率，并包含支持完整电机驱动变频器的所有关键功能，包括栅极驱动器、稳压辅助电源、电压和温度检测、精确电流检测和保护功能。

总结

电机变频器是连接基本电源和电机的关键环节。设计更小尺寸、更高效率、更高性能的变频器是一个日益重要的目标。针对用于中等功率变频器的关键功率开关器件，设计人员固然有多种工艺技术选择，但首选是 GaN 器件，例如 EPC 提供的此类器件。