【導(dǎo)讀】無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）在機(jī)器人、電動(dòng)工具、家電和無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越多。這些應(yīng)用要求設(shè)備具備輕便、小巧、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、低噪音和極高的精度控制。為了滿(mǎn)足這些需求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器需要以更高頻率運(yùn)行，同時(shí)需要先進(jìn)的技術(shù)來(lái)減少由此產(chǎn)生的更高功率損耗。
無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）在機(jī)器人、電動(dòng)工具、家電和無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越多。這些應(yīng)用要求設(shè)備具備輕便、小巧、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、低噪音和極高的精度控制。為了滿(mǎn)足這些需求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器需要以更高頻率運(yùn)行，同時(shí)需要先進(jìn)的技術(shù)來(lái)減少由此產(chǎn)生的更高功率損耗。
氮化鎵（GaN）晶體管和集成電路能夠在不顯著增加損耗的情況下以更高頻率運(yùn)行，相比于基于硅的設(shè)備，它們能夠顯著降低成本、噪音、尺寸和重量。也正因此，GaN在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。
同時(shí)，在快充市場(chǎng)，GaN早已被廣泛使用，也證明了其足夠的安全可靠性。
GaN在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的基本優(yōu)勢(shì)
GaN相比傳統(tǒng)硅具有顯著的優(yōu)勢(shì)，包括更高的電子遷移率、更高的擊穿電壓和更低的導(dǎo)通電阻。這些特性使得GaN器件能夠在更高頻率下工作，同時(shí)降低功率損耗。
高效率：GaN器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗顯著低于傳統(tǒng)硅器件。例如，TI的DRV7308 GaN IPM可以將逆變器效率提高到99%以上，而傳統(tǒng)的IGBT解決方案只能達(dá)到97%。
高功率密度：GaN器件允許更高的開(kāi)關(guān)頻率，減少了被動(dòng)元件的尺寸，從而提高了系統(tǒng)的功率密度。DRV7308 GaN IPM的封裝尺寸僅為12mm x 12mm，比傳統(tǒng)250W IPM小55%，可以將PCB尺寸減少65%以上。
更好的熱管理：由于GaN器件的低功率損耗，許多應(yīng)用中可以不需要散熱器，同時(shí)進(jìn)一步減小系統(tǒng)尺寸和成本。
高頻率操作：GaN器件能夠在高達(dá)3 MHz的頻率下工作，滿(mǎn)足高精度控制和低扭矩波動(dòng)的要求。
集成化設(shè)計(jì)：例如，EPC2152 GaN ePower Stage集成了兩個(gè)70V、10mΩ的FET和一個(gè)自包含的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，極大地減少了公共源電感（CSI）和柵極環(huán)路電感。而TI的DRV7308 IPM則包含了六個(gè)FET和其他保護(hù)及驅(qū)動(dòng)電路。
降低成本：由于GaN器件的高效率和高功率密度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以更緊湊，從而減少PCB和散熱器的成本。例如，在一個(gè)250W的HVAC壓縮機(jī)系統(tǒng)中，使用DRV7308 GaN IPM可以節(jié)省超過(guò)2美元的系統(tǒng)成本。
使用 GaN 消除電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的死區(qū)時(shí)間
如圖所示，GaN在BLDC上的優(yōu)勢(shì)可以分為兩部分，一個(gè)是更高的效率，另外則是更低的死區(qū)時(shí)間。
在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，死區(qū)時(shí)間是設(shè)計(jì)中必不可少但又繁重的方面，迫使工程師做出讓步以確?？煽啃?。然而，最近的技術(shù)進(jìn)步，尤其是GaN FET 的出現(xiàn)，可以降低死區(qū)時(shí)間，同時(shí)提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能。
了解死區(qū)時(shí)間
死區(qū)時(shí)間是指關(guān)閉一個(gè)功率器件和打開(kāi)另一個(gè)功率器件之間的延遲，這對(duì)于防止同時(shí)導(dǎo)通和潛在短路至關(guān)重要。例如，在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，兩個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通可能導(dǎo)致額外的損耗、更高的工作溫度，甚至災(zāi)難性的故障。
控制死區(qū)時(shí)間由控制器插入，可確保正有效死區(qū)時(shí)間。計(jì)算此死區(qū)時(shí)間是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要考慮傳播延遲、柵極電阻值和 FET 開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)間等因素。由于 GaN 器件沒(méi)有體二極管反向恢復(fù)且開(kāi)關(guān)時(shí)間更快，因此與硅 MOSFET 相比，GaN 器件的死區(qū)時(shí)間更短。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間
死區(qū)時(shí)間的一個(gè)主要影響是零電流交叉期間失真增加。這是因?yàn)樵谒绤^(qū)時(shí)間內(nèi)，逆變器支路中的高端和低端設(shè)備都處于關(guān)閉狀態(tài)，因此施加到電機(jī)的實(shí)際電壓取決于電流的符號(hào)。在零電流交叉處，該電壓突然改變符號(hào)，產(chǎn)生電壓失真，導(dǎo)致電機(jī)電流波形中出現(xiàn)高階諧波。這些電流不會(huì)產(chǎn)生任何有用的扭矩，但會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組損耗增加，整體效率降低。
死區(qū)時(shí)間對(duì)正弦電機(jī)驅(qū)動(dòng)中過(guò)零失真的影響比較
減少電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的死區(qū)時(shí)間對(duì)于提高效率至關(guān)重要。通過(guò)最小化死區(qū)時(shí)間，可以減少失真，從而實(shí)現(xiàn)更平滑的電流波形和更低的損耗。這最終會(huì)提高電機(jī)效率和整體系統(tǒng)性能。
死區(qū)時(shí)間減少和 PWM 頻率增加對(duì)正弦電機(jī)驅(qū)動(dòng)的綜合影響
GaN能夠?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更好的死區(qū)時(shí)間優(yōu)化：
開(kāi)關(guān)速度：與硅 MOSFET 相比，GaN FET 具有更快的開(kāi)關(guān)速度。這允許對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行更精確的控制，因?yàn)?GaN FET 的關(guān)斷和開(kāi)啟時(shí)間明顯更短。這種更快的開(kāi)關(guān)速度允許對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行更嚴(yán)格的控制。
降低柵極電容：與硅 MOSFET 相比，GaN FET 具有更低的柵極電容。這意味著它們可以更快地打開(kāi)和關(guān)閉，從而縮短死區(qū)時(shí)間，而不會(huì)產(chǎn)生擊穿電流的風(fēng)險(xiǎn)。這可以實(shí)現(xiàn)更高效的運(yùn)行，并更好地優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的死區(qū)時(shí)間。
零反向恢復(fù)電荷：GaN FET 沒(méi)有像硅 MOSFET 那樣的體二極管，從而消除了與硅器件相關(guān)的反向恢復(fù)電荷。這減少了電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中所需的有效死區(qū)時(shí)間，因?yàn)闊o(wú)需考慮體二極管的恢復(fù)時(shí)間。
在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中使用寬禁帶開(kāi)關(guān)器件的機(jī)會(huì)
低電感電機(jī)
低電感電機(jī)有許多不同應(yīng)用，包括大氣隙電機(jī)、無(wú)槽電機(jī)和低泄露感應(yīng)電機(jī)。它們也可被用在使用 PCB 定子而非繞組定子的新電機(jī)類(lèi)型中。這些電機(jī)需要高開(kāi)關(guān)頻率（50-100 kHz）來(lái)維持所需的紋波電流。
然而，使用標(biāo)準(zhǔn)的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）無(wú)法滿(mǎn)足這些需求，因?yàn)樗鼈冎荒軐?shí)現(xiàn)最高頻率為 20 KHz 的大功率開(kāi)關(guān)。當(dāng)采用硅 MOSFET 工作于這些頻率時(shí)產(chǎn)生的損耗較大，這就為寬禁帶器件開(kāi)創(chuàng)了新的機(jī)會(huì)。
高速電機(jī)
由于擁有高基波頻率，這些電機(jī)也需要高開(kāi)關(guān)頻率。它們適用于高功率密度電動(dòng)汽車(chē)、高極數(shù)電機(jī)、擁有高扭矩密度的高速電機(jī)以及兆瓦級(jí)高速電機(jī)等應(yīng)用。同樣，MOSFET 和 IGBT 能夠達(dá)到的最高開(kāi)關(guān)頻率受到限制，而通過(guò)使用寬禁帶開(kāi)關(guān)器件可能能夠突破這些限制。
惡劣工況
在電機(jī)控制逆變器中使用寬禁帶器件有兩個(gè)引人關(guān)注的益處。第一，它們產(chǎn)生的熱量比硅器件少，降低了散熱需求。第二，它們能承受更高工作溫度——SiC：600°C，GaN：300°C，而硅器件能承受的最高工作溫度僅為 200°C。
雖然 GaN 器件目前存在一些與封裝有關(guān)的問(wèn)題，導(dǎo)致它們所適用的工作溫度不能超過(guò) 200°C，但專(zhuān)注于解決這些問(wèn)題的研究正在進(jìn)行中。因此，寬禁帶器件更適合可能面臨惡劣工況的電機(jī)應(yīng)用，比如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）中的集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、海底和井下應(yīng)用、空間應(yīng)用等。
總結(jié)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中使用寬禁帶器件的機(jī)會(huì)
在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中使用寬禁帶器件的挑戰(zhàn)
雖然在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用寬禁帶器件明顯具有許多極具吸引力的益處，但其中仍有一些挑戰(zhàn)需要克服。
繞組絕緣
第一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)與匝間短路有關(guān)，因?yàn)閷捊麕骷且袁F(xiàn)用電機(jī)繞組絕緣所無(wú)法承受的速度進(jìn)行開(kāi)關(guān)，所以可能發(fā)生匝間短路。解決這一風(fēng)險(xiǎn)的潛在方法有兩種。第一種是限制電壓變化率（dv/dt），但這意味著無(wú)法充分發(fā)揮寬禁帶器件的全部潛能，且提高了逆變器損耗。第二種是研究和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)能夠承受這些開(kāi)關(guān)頻率和電壓變化率（dv/dt）的新型絕緣材料。
軸承壽命
更快開(kāi)關(guān)速度會(huì)增加電機(jī)軸承的局部放電，這可能降低軸承（和電機(jī)）壽命，從而削弱了使用寬禁帶器件能夠?qū)崿F(xiàn)的益處。解決這一問(wèn)題的潛在方法之一是使用擁有陶瓷涂層的軸承。遺憾的是，它們非常昂貴，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)造價(jià)增加。
電纜長(zhǎng)度
更高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)造成信號(hào)在較長(zhǎng)的電纜上發(fā)生反射的問(wèn)題。解決這一問(wèn)題的方法之一是使用濾波器，但這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中新增了濾波器損耗。目前正在研究如何提高集成度，比如通過(guò)將逆變器置于離電機(jī)更近的位置，來(lái)縮短電纜長(zhǎng)度，降低電纜上的信號(hào)反射影響。
總結(jié)
GaN（GaN）技術(shù)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用展示了顯著的優(yōu)勢(shì)和廣闊的前景。憑借其高效能、高功率密度和優(yōu)越的熱管理特性，GaN器件不僅提升了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率和性能，還顯著減小了系統(tǒng)尺寸和成本。盡管在應(yīng)用過(guò)程中存在一些挑戰(zhàn)，如繞組絕緣、軸承壽命和電纜長(zhǎng)度等問(wèn)題，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，這些問(wèn)題有望得到有效解決。GaN技術(shù)的引入，無(wú)疑為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)了全新的變革和無(wú)限的可能性。
參考文獻(xiàn)：
EPC：eBook-GaN Devices for Motor Drive Applications
英飛凌：Infineon-Wide_bandgap_switches_in_motor_drives_systems-Whitepaper-v01_00-CN
德州儀器：Achieving household energy efficiency and cost savings
with GaN-based motor system designs
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