GaN器件在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中具有更高性?xún)r(jià)比

為了獲得更高的系統(tǒng)效率， GaN器件用于智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)成為發(fā)展方向。在GaN器件中引入一個(gè)線性電容能夠有效控制開(kāi)關(guān)速率，以最大程度地降低EMI和電壓應(yīng)力，同時(shí)保持高效率。

我們對(duì)于電機(jī)應(yīng)用已經(jīng)習(xí)以為常，自從本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin）在大約三百年前開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)靜電式電機(jī)以來(lái)，這些產(chǎn)品就一直用于我們?nèi)粘Ｉ?。但是，以?jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制已經(jīng)一去不復(fù)返，從干衣機(jī)到機(jī)器人，當(dāng)今各種應(yīng)用中的電機(jī)必須以智能的方式控制速度、方向和轉(zhuǎn)矩等特性。與所有其它技術(shù)一樣，電機(jī)也必須體積小，重量輕，且成本低。

為了對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)必要的控制，需要給電機(jī)提供三相脈寬調(diào)制（PWM）交流電。通過(guò)使用開(kāi)關(guān)模式技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)非常高的效率。頻率通常在16 kHz左右，即使采用IGBT等較舊的技術(shù)，動(dòng)態(tài)損耗也很低。但傳導(dǎo)損耗仍然存在，因此迫切需要提高效率，現(xiàn)在許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都使用MOSFET，在低功率和中功率時(shí)，MOSFET的通態(tài)壓降比IGBT低。 MOSFET和IGBT可用于“智能功率模塊”（IPM）應(yīng)用，這些模塊通常包含六個(gè)具備相關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能的器件。

MOSFET的開(kāi)關(guān)速度比IGBT快，因此開(kāi)關(guān)損耗較低，但這并非一個(gè)完全的好消息?？焖俚拈_(kāi)關(guān)速率或'dV/dt'可能會(huì)導(dǎo)致從EMI到電機(jī)繞組絕緣應(yīng)力等一系列不良副作用，從而出現(xiàn)性能下降和器件擊穿，甚至由于共模電流流到接地端導(dǎo)致軸承機(jī)械磨損。通過(guò)采用緩沖器，減慢柵極驅(qū)動(dòng)和進(jìn)行濾波可以降低開(kāi)關(guān)速率及其影響，但在幾乎所有情況下，都會(huì)導(dǎo)致效率有所降低，從而無(wú)法獲得最佳解決方案。

寬帶隙開(kāi)關(guān)技術(shù)
采用MOSFET的IPM具備較高效率，但也存在由此產(chǎn)生的成本和能量節(jié)省等經(jīng)常性壓力，需要進(jìn)一步改進(jìn)。為了降低導(dǎo)通損耗，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在考慮使用氮化鎵（GaN）等寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)，該技術(shù)在特定電壓等級(jí)下具有最低的相對(duì)導(dǎo)通電阻。但是，dV/dt問(wèn)題則變得更加復(fù)雜，因?yàn)镚aN開(kāi)關(guān)速率非?？?，可達(dá)到數(shù)百kV/μs數(shù)量級(jí)。為了在實(shí)際應(yīng)用中有效控制該器件，不建議使用較大的緩沖和濾波器，因?yàn)樗鼈兡軌蛑匦乱胄碌膿p耗，因此通過(guò)定制柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制dV/dt是一種解決方案。原理很簡(jiǎn)單，串聯(lián)電阻與GaN器件柵極電容形成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，從而減慢柵極驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)速率，進(jìn)而降低漏極dV/dt。為了更好地控制，可將用于正向和負(fù)向驅(qū)動(dòng)的門(mén)極電阻由二極管分開(kāi)控制。盡管GaN晶體管具有這些優(yōu)點(diǎn)，但也確實(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)。它的柵極電容雖然很低，但是會(huì)隨著工作條件發(fā)生很大變化，通常在30dB范圍內(nèi)變化，主要是由于“米勒效應(yīng)”所致。這意味著，如果在最壞情況下將dV/dt設(shè)置為電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行的最佳狀態(tài)（例如5kV/μs），但在其他條件下，柵極驅(qū)動(dòng)速度將大大降低，導(dǎo)致效率顯著下降（見(jiàn)圖1）。

?

圖1：添加一個(gè)簡(jiǎn)單的柵極電阻會(huì)產(chǎn)生可變的dV/dt限制。

建議的一種解決方案是通過(guò)電容器采樣漏極電壓，該電容器能夠產(chǎn)生與dV/dt成比例的電流，然后將其反饋到柵極驅(qū)動(dòng)電路，以控制柵極充電和放電電流，從而在所有條件下都提供恒定的開(kāi)關(guān)速率。然而，高壓電容器是實(shí)現(xiàn)和集成IPM的一個(gè)大問(wèn)題，并且由于其有限的連接電感，甚至可能引起破壞性振蕩。

英飛凌工程師意識(shí)到，如果在GaN器件管芯中構(gòu)建一個(gè)小的漏柵電容，就會(huì)對(duì)整體電容產(chǎn)生“線性”影響，一種突破性技術(shù)由此誕生。通過(guò)采用一個(gè)僅1.2pF左右的電容就已經(jīng)足夠，其影響可忽略不計(jì)，但它卻能夠準(zhǔn)確地限制dV/dt。圖2顯示了這種效應(yīng)，接通時(shí)的開(kāi)關(guān)速率限制在5kV/μs左右，關(guān)斷時(shí)，dV/dt被限制為相同值，在輕負(fù)載下，損耗較低情況下dV/dt降至3kV/μs。

?

圖2：在添加GaN線性化電容器后，所有條件下的開(kāi)關(guān)速率均受到限制。

圖3所示為一個(gè)實(shí)際電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的效果圖，在相同的溫度上升幅度時(shí)，損耗幾乎減少了一半，從而同樣產(chǎn)品可提供更大的功率，或者可以實(shí)現(xiàn)更小的產(chǎn)品。

圖3：MOSFET和GaN開(kāi)關(guān)技術(shù)的IPM功能比較。

為了獲得最高的效率和性能，現(xiàn)在可以考慮將GaN用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，雖然其單位成本略高，但在系統(tǒng)硬件和節(jié)能方面的節(jié)省會(huì)大大抵消單位成本。

作者：英飛凌科技AC-DC應(yīng)用資深首席工程師Eric Persson