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如今许多常见的电机类型都需要依赖强大的微控制器来处理复杂算法，否则将难以实现高效运行；例如永磁同步电机 (PMSM) 和无刷直流电机 (BLDC) 都需要进行大量的数学计算才能高效运作。微控制器通常更擅长处理复杂的计算任务，而非提供精确的功率输出。尽管部分微控制器集成了能够提供一定驱动力的电路，但在大多数应用中仍需要专用的电源系统来确保稳定供电。
本文将介绍电机驱动的架构，以及其中各主要部件的作用。
图片来源： nordroden/Stock.adobe.com
架构
在三相交流电机和无刷直流电机控制设计中，向定子线圈供电最常用的方法是使用逆变器（图1）。 大多数三相交流电机设计中，供电电压首先被转换为直流电，随后通过脉宽调制 (PWM) 技术将该直流信号转换为所需的交流频率和幅值。
图1： 逆变器在整体电机控制电路中的位置。（图源：Analog Devices)
根据电机设计的拓扑结构和相数，可选用不同类型的逆变器。尽管如此，最常用的PWM信号传输方式仍是通过三相两级配置（图2）。这种配置下的逆变器桥由六个晶体管组成，每个晶体管均并联一个续流二极管。当电机等感性负载的电源电流快速降低时，这些二极管能够抑制由此产生的瞬时电压尖峰，从而保护晶体管不被损坏。六个晶体管由六个栅极驱动器独立控制，并在高频时完全导通或完全截止。它们作为准理想开关用于调节施加到定子电磁体上的电压，重构PWM信号以控制电机转速。BLDC采用类似的控制方式，但因其输入电压本身就是直流电，因此无需进行初始整流。
图2： 驱动三相电机的逆变器级。（图源：Analog Devices）
功率元件
在传统逆变器拓扑中，MOSFET和IGBT常被用作开关元件来传输电力。MOSFET理论上可实现高达100kHz的开关频率，但实际应用中更常用于数万赫兹的频率范围。其制造工艺与控制IC类似，因此对于某些低功耗应用，可以实现单芯片解决方案。MOSFET还具有高输入阻抗、低导通电阻、低栅极功耗、易于驱动以及更宽的安全工作区等特性。这些特性使MOSFET成为需要低电流密度节能解决方案的理想选择。然而，随着电压的升高，结温也会随之上升，其内部二极管的反向恢复性能会恶化，导致发热量增加并产生额外的开关损耗。
在较高的电压和电流场景下，IGBT通常是首选的开关器件。IGBT的结构与MOSFET相似，但在集电极处额外添加了P+层，使其相当于驱动PNP晶体管的MOSFET（图3）。此类器件易于通过低功率信号驱动，工作频率约为20kHz。然而，IGBT的设计使其无法采用常规MOS集成电路工艺制造，因此不像MOSFET那样具有集成式内部反向恢复二极管。在电机控制应用中，必须使用此类二极管，可采用两种形式：作为外部元件安装在PCB上，或与IGBT封装为独立芯片。外部恢复二极管既具有优势，也存在一定的局限性：可以针对具体应用进行定制，但会增加设计成本并占用额外的PCB空间。
图3： IGBT符号及其等效电路。集电极充当了PNP晶体管的发射极。（图源：英飞凌）
关键参数
对于MOSFET和IGBT而言，电流处理能力和峰值电压额定值是满足电机负载要求的主要性能指标。除此以外，这两款器件还具有次级和第三级参数要求。
MOSFET最关键的次级参数是漏源导通电阻 (RDS(ON)) 和栅极电容。较低的导通电阻可减少电阻损耗，并降低器件导通时的电压降，从而直接提升效率。然而，实际情况并非如此简单。栅极电容会影响器件导通与关断的速度，其值可通过公式I = C dV/dt计算得出。除了开关频率外，栅极电容也会对栅极侧的损耗产生影响。开关频率越高，损耗越大，效率越低。RDS(ON))较低的MOSFET通常具有更大的栅极面积，从而导致栅极电容增大。因此，可通过权衡RDS(ON)与栅极电容来实现最佳性能与最低损耗。制造商通常会在数据手册中通过品质因数 (FOM) 来评估整体性能，其计算公式为：FOM = RDS(ON) × 栅极电荷 (QG)。
对于IGBT，通态压降是必须考虑的关键参数。该压降包含PN结二极管压降以及驱动MOSFET的压降。与纯功率MOSFET不同，IGBT的通态压降不会低于二极管的阈值电压。
选择合适的元件不仅需参考数据手册中的参数，更需考虑参数在工作过程中的变化特性。MOSFET的RDS(ON)和IGBT的通态压降均受温度和电流的双重影响，且这两类器件在工作过程中都容易产生发热现象。MOSFET的压降与电流成正比，其RDS(ON)随温度升高而增大。IGBT的电压降与二极管类似，相对于电流变化呈对数增长，且在温度变化时保持相对恒定。
宽禁带革命
直至近年，硅MOSFET和IGBT仍是驱动电机的首选元件。尽管许多应用场景下它们仍是理想选择，但随着宽禁带技术的商业化，如今有了更多选择。过去十年间，氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 半导体相继问世，其性能在几乎所有情况下都优于硅晶体管。
禁带是指电子和空穴从价带跃迁至导带所需的能量。硅的禁带为1.12eV，而SiC和GaN的禁带分别为3.26eV和3.39eV。三种材料的击穿电场数据同样印证了这一优势：SiC为3.5MV/cm，GaN为3.3MV/cm，Si为0.3MV/cm。这些数据表明，GaN和SiC在维持更高电压方面的能力超过Si的十倍以上。从实际应用来看，这两种宽禁带材料不仅开关速度更快、耐压时间更长，效率也更高。它们还能承受比Si更高的工作温度——SiC约为600°C，GaN约为300°C，而Si器件仅能耐受200°C。仅这些优势就意味着宽禁带设计能够提供更小巧轻便的解决方案、更优异的性能表现以及更简便的热管理方案。
尽管GaN与SiC的禁带数值看似相近，但二者的电子迁移率存在显著差异，这在决定材料如何应用于大功率处理领域时起着关键作用。电子迁移率衡量电子在电场作用下穿过导体或半导体材料时的速度。GaN以2,000cm²/Vs的电子迁移率位居首位，Si以1,400cm²/Vs紧随其后，SiC则为650cm²/Vs。
优异的规格参数意味着GaN能够实现高速切换——其速度比Si MOSFET快十倍。GaN器件极低的栅极电容也显著降低了开关损耗。手机USB充电器便是GaN晶体管革新电源设计的绝佳范例。这些充电器体积不断缩小，同时其功率却从约11W提升至70W。因此，GaN为需要最高效率的电机应用提供了理想解决方案，可满足高达650V和20kW的功率需求。
另一方面，SiC的开关速度虽远低于GaN，但仍优于Si基解决方案。该材料还具备额外的供电优势，例如高电压电流处理能力、高导热性及强韧特性。SiC更高的开关频率使其成为需要高效率和高精度设计的理想选择，可满足约1200V和200kW的应用需求。
当然，要获得更优的性能，就必须做出相应的取舍。宽禁带半导体器件的驱动难度远高于MOSFET和IGBT，导致设计周期延长且复杂度增加。此外，使用宽禁带材料最重要的优势之一在于其高速开关特性可缩小滤波元件尺寸。但电机应用中较少使用滤波器，因为电机绕组本身就能对PWM信号进行平滑处理。即使MOSFET和IGBT提供的中等开关速度也能产生近乎完美的波形。SiC和GaN晶体管在运行中也可能产生反向恢复损耗。
从初始成本看，IGBT和MOSFET比SiC及GaN晶体管更具价格优势，这意味着它们在许多注重成本的应用中可能是更优选择。然而，尽管SiC和GaN晶体管的价格高于Si基产品，但更高的效率可能使其在整个应用生命周期内成为更经济的解决方案。
我们所介绍的晶体管类型在技术上都是可行的选择，关键取决于具体的应用需求。实际上，如图4所示，在约100kHz/10kW的工作区域内，它们的特性存在较大重叠，因此这四类晶体管都可能成为可行的选项。当然，随着SiC和GaN晶体管技术的成熟，未来器件的性能将持续提升，成本也将降低。这并非意味着IGBT和MOSFET将永远维持现状，例如，近期推出的沟槽型IGBT器件在性能优化、尺寸缩小及热性能方面均有显著改进。
图4： 现代功率半导体的大致应用领域。（图源：Qorvo）
结语
电机驱动系统不仅依赖先进的控制算法，更需要高效可靠的供电系统。传统的Si基MOSFET和IGBT在这一领域表现优异，在广泛的应用场景中均展现出可靠的性能。然而，宽禁带技术（如GaN和SiC）的出现正在重塑行业格局，实现了更高的开关速度、更优的热管理以及更高的整体效率。尽管这些新型器件在设计上更为复杂且前期成本较高，但其在尺寸、性能和生命周期效率方面的长期优势，使其在现代电机应用中日益受到青睐。最终，选择合适的解决方案需综合考量电压、电流、热管理及成本等因素。
本文由Microsoft 365 Copilot协助生成。
作者简介
作者：Alistair Winning，贸泽电子专稿
自1997年从西苏格兰大学获得电子系统理学学士学位以来，Alistair一直在电子媒体领域从事市场营销、公共关系和新闻工作。在此期间，他曾担任《Electronics Engineering》、《Embedded Systems Europe》、《EENews Embedded》、《Technology First》、《Electronic Product Design and Test》以及《Panel Building and Systems Integration》等杂志的编辑。目前，Alistair担任《Power Systems Design》欧洲版编辑，同时以自由撰稿人身份从事电子与工程领域的写作。
