作者：Bill Schweber

　　推動更有效地利用能源、更嚴格的監(jiān)管要求以及冷卻器運行的技術(shù)優(yōu)勢都支持了最近減少電動機功耗的舉措。雖然硅 MOSFET 等開關(guān)技術(shù)很普遍，但它們通常無法滿足關(guān)鍵逆變器應(yīng)用更苛刻的性能和效率目標。

　　相反，設(shè)計人員可以使用氮化鎵 (GaN) 來實現(xiàn)這些目標，氮化鎵是一種寬帶隙 (WBG) FET 器件技術(shù)，該技術(shù)在成本、性能、可靠性和易用性方面都得到了改進和進步。 GaN器件現(xiàn)已成為主流，并已成為中檔功率級別逆變器的首選。

　　本文探討了Efficient Power Conversion Corporation (EPC)的最新一代 GaN 基 FET如何實現(xiàn)高性能電機逆變器。評估板旨在幫助設(shè)計人員熟悉 GaN 器件特性并加速設(shè)計。

　　什么是逆變器?

　　逆變器的作用是創(chuàng)建和調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的功率波形，電機通常是無刷直流 (BLDC) 類型。它控制電機速度和扭矩，以實現(xiàn)平穩(wěn)啟動和停止、反向和加速率等要求。它還必須確保盡管負載發(fā)生變化，仍能實現(xiàn)并保持所需的電機性能。

　　請注意，具有變頻輸出的電機逆變器不應(yīng)與交流線路逆變器混淆。后者從汽車電池等電源獲取直流電，以提供固定頻率的 120/240 伏交流波形，該波形近似于正弦波，可用于為線路操作設(shè)備供電。

　　為什么考慮氮化鎵?

　　相對于硅器件，GaN 器件具有更有吸引力的屬性，包括更高的開關(guān)速度、更低的漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) ) 以及更好的熱性能。較低的 R DS(ON)使其可用于更小、更輕的電機驅(qū)動器，并減少功率損耗，從而在電動自行車和無人機等應(yīng)用中節(jié)省能源和成本。較低的開關(guān)損耗可提高電機驅(qū)動效率，從而擴大輕型電動汽車 (EV) 的續(xù)航里程。更快的開關(guān)速度可實現(xiàn)低延遲電機響應(yīng)，這對于需要精確電機控制的應(yīng)用(例如機器人)至關(guān)重要。 GaN FET 還可用于開發(fā)更強大、更高效的叉車電機驅(qū)動器。 GaN FET 的更高電流處理能力使其可用于更大、更強大的電機。

　　對于最終應(yīng)用，最終的好處是減小尺寸和重量、提高功率密度和效率以及更好的熱性能。

　　GaN 入門

　　任何電源開關(guān)器件的設(shè)計，尤其是中檔電流和電壓的器件，都需要關(guān)注器件的最小細節(jié)和獨特特性。 GaN 器件有兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)選擇：耗盡型 (d-GaN) 和增強型 (e-GaN)。 d-GaN 開關(guān)通常處于“開啟”狀態(tài)，需要負電源;設(shè)計到電路中更加復(fù)雜。相比之下，e-GaN 開關(guān)通常是“關(guān)閉”MOSFET，這使得電路架構(gòu)更加簡單。

　　GaN 器件本質(zhì)上是雙向的，一旦器件上的反向電壓超過柵極閾值電壓，就會開始導(dǎo)通。此外，由于它們在設(shè)計上無法進行雪崩模式操作，因此具有足夠的額定電壓至關(guān)重要。對于降壓、升壓和橋式直流轉(zhuǎn)換拓撲，總線電壓高達 480 伏時，600 伏的額定電壓通常就足夠了。

　　盡管 GaN 開關(guān)的基本開/關(guān)功率開關(guān)功能很簡單，但它們是功率器件，因此設(shè)計人員必須仔細考慮開通和關(guān)斷驅(qū)動要求、開關(guān)時序、布局、寄生效應(yīng)的影響、控制電流流動以及電路板上的電流電阻 (IR) 下降。

　　對于許多設(shè)計人員來說，利用評估套件是了解 GaN 器件功能以及如何使用它們的最有效方法。這些套件使用不同配置和功率級別的單個和多個 GaN 器件。它們還包括相關(guān)的無源元件，包括電容器、電感器、電阻器、二極管、溫度傳感器、保護器件和連接器。

　　從低功耗設(shè)備開始

　　EPC2065是低功率 GaN FET 的一個很好的例子。它的漏極-源極電壓 (V DS ) 為 80 伏，漏極電流 (I D ) 為 60 安培 (A)，R DS(ON)為 3.6 毫歐 (mΩ)。它僅以帶焊條的鈍化芯片形式提供，尺寸為 3.5 × 1.95 毫米 (mm)(圖 1)。

　　圖 1：80 伏、60 A EPC2065 GaN FET 是帶有集成焊條的鈍化芯片器件。 (圖片來源：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 )。這些屬性使其非常適合需要非常高的開關(guān)頻率(高達數(shù)百千赫茲)和低導(dǎo)通時間的情況，以及那些通態(tài)損耗占主導(dǎo)地位的情況。

　　該器件由兩個類似的評估套件支持：用于 20 A/500 瓦運行的EPC9167KIT和用于 20 A/1 千瓦 (kW) 運行的更高功率EPC9167HCKIT (圖 2)。兩者都是三相 BLDC 電機驅(qū)動逆變器板。

　　圖 2：所示為 EPC9167 板的底部(左)和頂部(右)。 (圖片來源：EPC)

　　基本 EPC9167KIT 配置為每個開關(guān)位置使用單個 FET，每相可提供高達 15 A RMS(標稱值)和 20 A RMS(峰值)的電流。相比之下，電流較高的 EPC9167HC 配置在每個開關(guān)位置使用兩個并聯(lián) FET，可提供高達 20 A RMS /30 A RMS(標稱/峰值)輸出電流的最大電流，這證明了 GaN FET 的配置相對容易。并聯(lián)以獲得更高的輸出電流。圖 3 顯示了基礎(chǔ) EPC9167 板的框圖。

　　圖 3：所示為 BLDC 驅(qū)動應(yīng)用中基礎(chǔ) EPC9167 板的框圖;較高功率的 EPC9167HC 每個開關(guān)有兩個并聯(lián)的 EPC2065 器件，而較低功率的 EPC9167 每個開關(guān)只有一個 FET。 (圖片來源：EPC)

　　EPC9167KIT 包含支持完整電機驅(qū)動逆變器的所有關(guān)鍵電路，包括柵極驅(qū)動器、用于內(nèi)務(wù)電源的穩(wěn)壓輔助電源軌、電壓檢測、溫度檢測、電流檢測和保護功能。

　　EPC9167 可與各種兼容控制器配合，并受到各個制造商的支持。利用現(xiàn)有資源，可以快速配置為電機驅(qū)動逆變器或DC-DC轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)快速開發(fā)。在前一個角色中，它提供多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換，支持電機驅(qū)動應(yīng)用中高達 250 kHz 的脈寬調(diào)制 (PWM) 開關(guān)頻率;對于非電機 DC-DC 應(yīng)用，其工作頻率高達 500 kHz。

　　走向更高的權(quán)力

　　功率處理范圍的另一端是EPC2302，這是一款 GaN FET，額定電壓為 100 V/101 A，R DS(ON)僅為 1.8 mΩ 。它非常適合 40 至 60 伏高頻 DC-DC 應(yīng)用以及 48 伏 BLDC 電機驅(qū)動器。與 EPC2065 使用的帶焊條的鈍化芯片封裝相比，該 GaN FET 采用低電感 QFN 封裝，尺寸為 3 × 5 mm，頂部裸露，可實現(xiàn)卓越的熱管理。

　　外殼頂部的熱阻很低，每瓦僅為 0.2°C，從而實現(xiàn)出色的熱性能并緩解冷卻挑戰(zhàn)。其暴露的頂部增強了頂部熱管理，而側(cè)面可潤濕的側(cè)面保證了整個側(cè)焊盤表面在回流焊接過程中被焊料潤濕。這可以保護銅并允許在該外部側(cè)面區(qū)域進行焊接，以便于光學(xué)檢查。

　　EPC2302 的占位面積不到具有相似 R DS(on)和額定電壓的同類最佳硅 MOSFET 的一半，而其 Q G和 Q GD明顯更小，并且 Q RR為零。這會降低開關(guān)損耗和柵極驅(qū)動器損耗。 EPC2302 的工作死區(qū)時間短于 10 納秒 (ns)，可實現(xiàn)更高的效率，而其零值 Q RR可增強可靠性并最大限度地減少電磁干擾 (EMI)。

　　為了測試 EPC2302，EPC9186KIT電機控制器/驅(qū)動器電源管理評估板支持高達 5 kW 的電機，并可提供高達 150 A RMS和 212 A PEAK的最大輸出電流(圖 4)。

　　圖 4：所示為 EPC2302 的 EPC9186KIT 5 kW 評估板的頂部(左)和底部(右)。 (圖片來源：EPC)

　　為了實現(xiàn)更高的額定電流，EPC9186KIT 在每個開關(guān)位置使用四個并聯(lián) GaN FET，證明了使用這種方法可以輕松達到更高的電流水平。該板在電機驅(qū)動應(yīng)用中支持高達 100 kHz 的 PWM 開關(guān)頻率，并包含支持完整電機驅(qū)動逆變器的所有關(guān)鍵功能，包括柵極驅(qū)動器、穩(wěn)壓輔助內(nèi)務(wù)電源、電壓和溫度感應(yīng)、精確電流感應(yīng)、和保護功能。

　　結(jié)論

　　電機逆變器是基本電源和電機之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計更小、更高效率和更高性能的逆變器是一個日益重要的目標。雖然設(shè)計人員可以選擇中檔逆變器使用的關(guān)鍵功率開關(guān)器件的工藝技術(shù)，但 GaN 器件(例如 EPC 的器件)是首選。