對于緊湊型且性能強大的電動機的強烈需求給設(shè)計工程師帶來了新的挑戰(zhàn)，為了最大限度的提高小型電動機的輸出功率，工程師們正考慮采用高壓和高頻的方式，MOSFET(金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)和IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)—傳統(tǒng)開關(guān)逆變器（現(xiàn)代電動機控制的關(guān)鍵元件）的基礎(chǔ)—正在努力滿足這方面的需求。然而功率密度和擊穿電壓閾值有限，這就限制了驅(qū)動電壓，高頻操作的快速開關(guān)會增加功率損耗，造成的結(jié)果是效率低下，發(fā)熱嚴重。

GaN HEMT(氮化鎵晶體管)可以替代高壓高頻電動機應(yīng)用中的MOSFET和IGBT器件，這類參數(shù)比較寬的半導(dǎo)體器件為大功率密度電動機開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，它們可以處理更高的電壓、電流、溫度和開關(guān)頻率，而且功率損耗要比硅晶體管低得多，集成GaN HEMT和驅(qū)動逆變器的高功率密度電動機的商業(yè)應(yīng)用也正在推動更多新技術(shù)的發(fā)展。

GaN HEMT逆變器采用了新一代陶瓷電容器，它能夠承受高壓峰值和浪涌，這些電壓峰值浪涌可能會使傳統(tǒng)的直流組件承受過大的壓力而損壞，這些元件是高功率電動機所必須的。

電動機設(shè)計方面的進展

設(shè)計師們要求采用體積更小、重量更輕的電動機來改善現(xiàn)有的產(chǎn)品，并且需要能夠廣泛的應(yīng)用，采用高電壓和控制頻率有望解決這些問題。

采用高壓操作的優(yōu)勢

電動機額定功率的計算公式是電源電壓乘以電流（V x A），傳統(tǒng)電動機的電壓比較低（小于1000V），需要電動機在較大電流下運行才會產(chǎn)生更大的輸出功率，大電流的缺點是需要更大的線圈，這會增加回路的電阻值，會造成效率低下和發(fā)熱嚴重，如果采用高電壓（大于10KV）就可以降低電流使用較小的線圈，這種方式的缺點是電阻相關(guān)組件（包括電動機驅(qū)動器件）必須能夠承受較高的電壓，可選擇的器件會減少同時會增加成本，第二個缺點是小線圈的電感繞組較低，這樣不能抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的電流擾動，這種電流大小變化會導(dǎo)致電磁干擾（EMI）問題。

采用高頻操作的優(yōu)勢

現(xiàn)代電動機常見的類型是三相交流（AC）電動機，它是對電動機的每一相繞組依次施加電流來驅(qū)動的，電動機的轉(zhuǎn)子會受到繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動，轉(zhuǎn)速和工作頻率成正比（圖1）。

圖1：作用與感應(yīng)電動機的每一相正弦信號都會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動（來源：科學(xué)雜志）

脈沖調(diào)制（PWM）會疊加在基礎(chǔ)的工作頻率上，可以有效的控制啟動電流、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)，半導(dǎo)體晶體管（通常是MOSFET或IGBT）的開關(guān)操作決定了PWM的波形。

高頻PWM的一個關(guān)鍵優(yōu)點是減少了電流波動（整流后交流輸入的影響），這避免了小型線圈的一個缺點。減小電流波動需要更小、更便宜的無源器件來進行濾波，高頻操作還可以減少轉(zhuǎn)矩的不平衡，即不均勻的電動勢，這些不均勻的電動勢是由于輸入到電動機線圈的正弦信號不夠完美造成的，它會導(dǎo)致電動機的振動和過度的磨損。

總體來說高頻開關(guān)增加了功率密度（單位體積輸出的功率），因此即使小型的電動機也能輸出與大型電動機相同的功率。

傳統(tǒng)的電動機驅(qū)動方式已經(jīng)達到了極限

傳統(tǒng)的三相交流電動機的電壓可達到1000V，開關(guān)頻率可達到20KHz，這些操作參數(shù)完全在價低低廉且商業(yè)上廣泛應(yīng)用的MOSFET器件能力范圍之內(nèi)，這種MOSFET器件用于電動機驅(qū)動最后階段的逆變器。

然而硅晶體管在大功率電動機的應(yīng)用已經(jīng)達到了極限，首先元件的擊穿電壓相對較低，限制了電源電壓；第二是晶體管的開關(guān)功耗，由晶體管從打開到關(guān)閉的電阻和電容值造成的，功率損耗遠遠超過了效率的提升；第三是由于開關(guān)時間較長器件會達到一個閾值，超過這個閾值就不能進行高頻操作了。

IGBT器件較高的擊穿電壓提供了一些喘息的機會，允許工程師增大工作電壓和工作頻率，但是當工作頻率上升到50KHz以上時，IGBT就會產(chǎn)生不可接受的開關(guān)功耗，而且開關(guān)操作的速度也受到影響。

GaN HEMT(氮化鎵晶體管)的優(yōu)勢

雖然硅是電子工業(yè)的支柱，但是其他半導(dǎo)體通常需要用于高壓高頻操作或者需要耐高溫的場合，這些可替代的半導(dǎo)體器件特性都比較寬泛，而且利用電子來實現(xiàn)能量的傳遞，與硅器件相比它們顯著的改變了材料的電氣性能，這類半導(dǎo)體器件的帶隙范圍是2-4eV，而硅器件的帶隙范圍是1-1.5eV。GaN是經(jīng)過驗證商業(yè)上可用的一個例子。

寬禁帶(WBG)器件的特性

在MOSFET器件中當溫度高達100℃開關(guān)操作會失靈，因為一些電子加熱后會獲得足夠的能量（而不是開關(guān)電壓）從原子脫離。因為WBG器件的電子需要獲得更多的能量才能夠從原子本身脫離，只有溫度達到300℃才會讓GaN晶體管產(chǎn)生同樣的效果。

WBG半導(dǎo)體的擊穿電壓（大于600V）要遠高于硅，造成這種情況的原因很復(fù)雜，但部分原因是由于電子飽和速度的特性（也稱為電子遷移率），較高的遷移率使得WBG半導(dǎo)體材料能夠承受兩倍于硅材料的電流密度（A/cm2），該特性使得GaN HEMT器件開關(guān)切換的時間是MOSFET器件的四分之一左右。

由于存在寄生電阻和電極電阻所有半導(dǎo)體晶體管都表現(xiàn)出一種常態(tài)化的功率損耗，其他因素比如電極間的電容也會造成功率損耗，每當晶體管開關(guān)操作時就會造成功率損耗，因此損耗與開關(guān)頻率和電機電流成正比。GaN HEMT的寄生電阻和電極電阻約為MOSFET的一半，電極間的電容約為五分之一，這種差異表明，在給定的開關(guān)頻率和電機電流情況下GaN HEMT的開關(guān)損耗約為MOSFET的10-30%，與MOSFET相比IGBT在高頻率下表現(xiàn)出更低的開關(guān)損耗，但是效率仍然比GaN HEMT低很多。

GaN HEMT的最后一個優(yōu)點是晶體管不會發(fā)生反向恢復(fù)電荷（即當硅MOSFET開關(guān)時剩余的少數(shù)載流子會耗散），這將會導(dǎo)致MOSFET開關(guān)電流超調(diào)（振響），從而產(chǎn)生EMI現(xiàn)象。