推動更高效的能源利用、更嚴(yán)格的監(jiān)管要求以及研發(fā)了冷卻操作的技術(shù)都能夠?qū)崿F(xiàn)減少電動機的功耗，雖然硅 MOSFET 等開關(guān)技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，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(biāo)。

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

什么是逆變器?

逆變器產(chǎn)生并調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的電壓波形，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。盡管負(fù)載發(fā)生變化，逆變器必須確保實現(xiàn)并維持所需的電機性能。

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 V 交流波形，該波形近似于正弦波，可以為線路操作設(shè)備供電。

GaN 器件相對于硅具有吸引人的特性，包括更高的開關(guān)速度、更低的漏源導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)) 和更好的熱性能。較低的 RDS(ON) 使它們能夠用于更小更輕的電機驅(qū)動器，并減少功率損耗，從而節(jié)省電動自行車和無人機等應(yīng)用的能源和成本。

較低的開關(guān)損耗可實現(xiàn)更高效的電機驅(qū)動器，延長輕型電動汽車的續(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它們能夠用于更大、更強大的電機。

最終應(yīng)用的底線優(yōu)勢是減小尺寸和重量、提高功率密度和效率以及更好的熱性能。

GaN入門講解

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(xì)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(fù)電源；設(shè)計成電路更加復(fù)雜。相比之下，e-GaN 開關(guān)通常是“關(guān)閉”晶體管，這導(dǎo)致電路架構(gòu)更簡單。

GaN 器件本質(zhì)上是雙向的，一旦其兩端的反向電壓超過柵極閾值電壓，就會開始導(dǎo)電。此外，由于它們在設(shè)計上無法以雪崩模式運行，因此具有足夠的電壓額定值至關(guān)重要。對于降壓、升壓和橋式直流轉(zhuǎn)換拓?fù)洌诳偩€電壓高達(dá) 480 V 時，600 V 的額定值通常就足夠了。

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(xì)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、電流控制流動，電路板上的電流電阻 (IR) 下降。

對于許多設(shè)計人員來說，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(hù)器件和連接器。

EPC2065 是低功耗 GaN FET 的極佳示例。其漏源電壓 (VDS) 為 80 V，漏極電流 (ID) 為 60 安培 (A)，RDS(ON) 最大值為 3.6 毫歐 (mΩ)。它僅以帶焊條的鈍化芯片形式供應(yīng)，尺寸為 3.5 × 1.95 毫米 (mm)。

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 (QG) 和零反向恢復(fù)電荷 (QRR)。這些屬性使其非常適合需要非常高的開關(guān)頻率(高達(dá)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。

兩個類似的評估套件支持該器件：用于 20 A/500 W 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。

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(dá) 15 ARMS(標(biāo)稱值)和 20 ARMS(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(dá) 20 ARMS/30 ARMS(標(biāo)稱/峰值)輸出電流的最大電流，這證明了 GaN FET 的并聯(lián)配置相對容易更高的輸出電流。圖 3 顯示了基礎(chǔ) EPC9167 板的框圖。

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(hù)功能。

EPC9167 可與多種兼容控制器配對，并得到多家制造商的支持。它可以利用現(xiàn)有資源快速配置為電機驅(qū)動逆變器，實現(xiàn)快速開發(fā)。

獲得更高的功率

功率處理范圍的另一端是 EPC2302，這是一款 GaN FET，額定值為 100 V/101 A，最大 RDS(ON) 為 1.8 mΩ。它非常適合 40 至 60 V 的高頻 DC-DC 應(yīng)用和 48 V BLDC 電機驅(qū)動器。與 EPC2065 使用的帶焊條的鈍化芯片封裝不同，這款 GaN FET 采用 3 × 5 mm 的低電感 QFN 封裝，頂部裸露，可實現(xiàn)卓越的熱管理。

外殼頂部的熱阻很低，僅為每瓦 0.2°C，這可實現(xiàn)出色的熱性能并緩解冷卻挑戰(zhàn)。其裸露的頂部增強了頂部熱管理，而側(cè)面可潤濕的側(cè)面可確保整個側(cè)焊盤表面在回流焊接過程中被焊料潤濕。這可保護(hù)銅并允許在此外部側(cè)面區(qū)域進(jìn)行焊接，以便于進(jìn)行光學(xué)檢查。

EPC2302 的占位面積不到同類最佳硅 MOSFET 的一半，且 RDS(on) 和額定電壓相似，而其 QG 和 QGD 則明顯較小，且其 QRR 為零。這可降低開關(guān)損耗和柵極驅(qū)動器損耗。EPC2302 的死區(qū)時間很短，僅為數(shù)十納秒 (ns)，可提高效率，而其零值 QRR 可提高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(dá) 5 kW 的電機，并可提供高達(dá) 150 ARMS 和 212 APEAK 的最大輸出電流(圖 4)。

EPC9186KIT 在每個開關(guān)位置使用四個并聯(lián) GaN FET 來實現(xiàn)更高的額定電流，這證明了使用這種方法可以輕松達(dá)到更高的電流水平。該板在電機驅(qū)動應(yīng)用中支持高達(dá) 100 kHz 的 PWM 開關(guān)頻率。它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、電壓和溫度感測、精確電流感測以及保護(hù)功能。

電機逆變器是基本電源與電機之間的關(guān)鍵連接。設(shè)計更小、更高效、更高性能的逆變器是一個越來越重要的目標(biāo)。雖然設(shè)計人員可以選擇中檔逆變器使用的關(guān)鍵電源開關(guān)器件的工藝技術(shù)，但 GaN 器件是首選。