GaN器件在电机驱动应用中具有更高性价比

为了获得更高的系统效率， GaN器件用于智能电机驱动成为发展方向。在GaN器件中引入一个线性电容能够有效控制开关速率，以最大程度地降低EMI和电压应力，同时保持高效率。

我们对于电机应用已经习以为常，自从本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）在大约三百年前开发了第一台静电式电机以来，这些产品就一直用于我们日常生活。但是，以简单的开/关方式对电机进行控制已经一去不复返，从干衣机到机器人，当今各种应用中的电机必须以智能的方式控制速度、方向和转矩等特性。与所有其它技术一样，电机也必须体积小，重量轻，且成本低。

为了对电机实现必要的控制，需要给电机提供三相脉宽调制（PWM）交流电。通过使用开关模式技术，可以实现非常高的效率。频率通常在16 kHz左右，即使采用IGBT等较旧的技术，动态损耗也很低。但传导损耗仍然存在，因此迫切需要提高效率，现在许多电机驱动器都使用MOSFET，在低功率和中功率时，MOSFET的通态压降比IGBT低。 MOSFET和IGBT可用于“智能功率模块”（IPM）应用，这些模块通常包含六个具备相关栅极驱动和保护功能的器件。

MOSFET的开关速度比IGBT快，因此开关损耗较低，但这并非一个完全的好消息。快速的开关速率或'dV/dt'可能会导致从EMI到电机绕组绝缘应力等一系列不良副作用，从而出现性能下降和器件击穿，甚至由于共模电流流到接地端导致轴承机械磨损。通过采用缓冲器，减慢栅极驱动和进行滤波可以降低开关速率及其影响，但在几乎所有情况下，都会导致效率有所降低，从而无法获得最佳解决方案。

宽带隙开关技术
采用MOSFET的IPM具备较高效率，但也存在由此产生的成本和能量节省等经常性压力，需要进一步改进。为了降低导通损耗，设计人员现在考虑使用氮化镓（GaN）等宽带隙半导体技术，该技术在特定电压等级下具有最低的相对导通电阻。但是，dV/dt问题则变得更加复杂，因为GaN开关速率非常快，可达到数百kV/µs数量级。为了在实际应用中有效控制该器件，不建议使用较大的缓冲和滤波器，因为它们能够重新引入新的损耗，因此通过定制栅极驱动器来控制dV/dt是一种解决方案。原理很简单，串联电阻与GaN器件栅极电容形成一个RC网络，从而减慢栅极驱动开关速率，进而降低漏极dV/dt。为了更好地控制，可将用于正向和负向驱动的门极电阻由二极管分开控制。尽管GaN晶体管具有这些优点，但也确实有一个缺点。它的栅极电容虽然很低，但是会随着工作条件发生很大变化，通常在30dB范围内变化，主要是由于“米勒效应”所致。这意味着，如果在最坏情况下将dV/dt设置为电动机可靠运行的最佳状态（例如5kV/µs），但在其他条件下，栅极驱动速度将大大降低，导致效率显著下降（见图1）。

图1：添加一个简单的栅极电阻会产生可变的dV/dt限制。

建议的一种解决方案是通过电容器采样漏极电压，该电容器能够产生与dV/dt成比例的电流，然后将其反馈到栅极驱动电路，以控制栅极充电和放电电流，从而在所有条件下都提供恒定的开关速率。然而，高压电容器是实现和集成IPM的一个大问题，并且由于其有限的连接电感，甚至可能引起破坏性振荡。

英飞凌工程师意识到，如果在GaN器件管芯中构建一个小的漏栅电容，就会对整体电容产生“线性”影响，一种突破性技术由此诞生。通过采用一个仅1.2pF左右的电容就已经足够，其影响可忽略不计，但它却能够准确地限制dV/dt。图2显示了这种效应，接通时的开关速率限制在5kV/µs左右，关断时，dV/dt被限制为相同值，在轻负载下，损耗较低情况下dV/dt降至3kV/µs。

图2：在添加GaN线性化电容器后，所有条件下的开关速率均受到限制。

图3所示为一个实际电机驱动应用的效果图，在相同的温度上升幅度时，损耗几乎减少了一半，从而同样产品可提供更大的功率，或者可以实现更小的产品。

图3：MOSFET和GaN开关技术的IPM功能比较。

为了获得最高的效率和性能，现在可以考虑将GaN用于电机驱动，虽然其单位成本略高，但在系统硬件和节能方面的节省会大大抵消单位成本。

作者：英飞凌科技AC-DC应用资深首席工程师Eric Persson