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氮化镓功率器件在工业电机控制方面具有优势

2022-10-14 15:52:12 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
氮化镓功率器件的优越电气特性,正在逐步淘汰复杂工业电机控制应用中的传统MOSFET和IGBT。

近年来,随着电机在各种应用中的广泛使用和巨大的节能潜力,电机控制技术,特别是频率控制驱动器,获得了快速发展。用于电机控制的基于框架的电源模块,在对成本、尺寸和性能特别敏感的应用领域发生了重大变革。E53ednc

新兴电子应用需要能从紧凑型平台中获得更高性能的电机设计。依靠经典硅基MOSFET和IGBT的电机驱动器电路正在努力满足新的标准。随着硅基技术接近功率密度、击穿电压和开关频率的理论极限,设计人员越来越难以控制功率损耗。这些限制带来的主要后果是在高工作温度和开关速率下的效率降低以及性能问题增加。E53ednc

我们可以来斟酌一个工作在大于等于40kHz开关频率下的硅基功率器件。在这些条件下,开关损耗大于传导损耗,并会对总功率损耗产生级联效应。散发所产生的多余热量需要使用散热器,这就会造成解决方案的重量、占位面积和生产成本增加。E53ednc

基于氮化镓(GaN)的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有优越的电气特性,因此成为了高压、高开关频率电机控制应用中MOSFET和IGBT的有效替代品。本文主要集中讨论GaN HEMT晶体管在高功率密度电机应用的功率级和逆变器级中所提供的优势。E53ednc

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在机器人和其他工业用途的电机中,尺寸和能源效率非常重要,但其他因素也开始发挥作用。GaN解决方案可以实现更高的脉宽调制(PWM)频率,而低开关损耗则有助于驱动具有极低电感的永磁电机和无刷直流电机。这些特性还可以将伺服驱动器和步进电机精确定位的转矩波动降至最低,从而在无人机等应用中使高速电机实现高电压。E53ednc

GaN的好处

GaN是一种宽禁带材料。因此,它的禁带(电子从价带移动到导带所需的能量)比硅的禁带要宽得多:大约是3.4eV对1.12eV。因为通常在结点积聚的电荷可能会消散得更快,所以GaN HEMT的增强电子迁移率与更快的开关速度是息息相关的。E53ednc

由于其较短的上升时间、较低的漏源通态电阻(RDS(on))值,以及更小的栅极电容和输出电容,GaN可以实现低开关损耗,并能在比硅高10倍的开关频率下工作。能够在高开关频率下工作,就使得占位空间、重量和体积更小,并且消除了对电感器和变压器等笨重元器件的需求。随着开关频率的增加,GaN HEMT的开关损耗将保持远低于硅MOSFET或IGBT的开关损耗,并且开关频率越大,差异越明显。E53ednc

综上所述,GaN器件在多个方面都优于传统的硅基功率器件,这些优势包括:E53ednc

  • GaN的击穿场比硅高10倍以上(3.3MV/cm对0.3MV/cm),因此允许GaN基功率器件在损坏前支持10倍以上的电压。
  • 在相同的电压值下工作,GaN器件的温度更低,产生的热量更少。因此,它们可以在比硅更高的温度(高达225℃2及以上)条件下工作,而硅则会受到其较低结温(150℃至175℃)的限制。
  • 由于其固有结构,GaN可以以比硅更高的频率进行开关,并能提供更低的RDS(on)和优秀的反向恢复能力。这反过来又会带来高效率,同时减少开关损耗和功率损耗。
  • 作为一种HEMT,GaN器件具有比硅器件更高的电场强度,从而允许GaN器件具有更小的裸片尺寸和更小的占位空间。

电机控制解决方案

驱动交流电机常用的解决方案包括AC/DC转换器、直流电路和DC/AC转换器(逆变器)。第一级通常基于二极管或晶体管,将50Hz或者60Hz工频电压转换为近似的直流电压,该直流电压随后又会经过滤波并被存储在直流电路中以供后续的逆变器使用。最后,逆变器将直流电压转换为三个正弦PWM信号,每个信号用于驱动一个电机相位。GaN HEMT晶体管通常用于实现电机驱动器逆变器级,这是高压、高频电机驱动解决方案的最关键部分。E53ednc

例如,EPC公司的EPC2152是一种驱动器和eGaN FET半桥功率级合封IC,它基于该公司的专利GaN IC技术。单片芯片包含输入逻辑接口、电平转换、自举充电和栅极驱动缓冲电路,以及配置为半桥的eGaN输出FET。高集成度使其芯片级LGA封装尺寸达到了3.85mm×2.59mm×0.63mm,非常紧凑。在半桥拓扑中,两个eGaN输出FET具有相同的漏源通态电阻。使用带有eGaN FET的片上栅极驱动缓冲器,几乎消除了共源极电感和栅极驱动回路电感的影响(参见图1)。基于来自驱动输出FET的反馈的栅极驱动电压内部稳压,则在仍将输出FET打开至低RDS(on)状态的同时,确保了安全栅极电压水平。E53ednc

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图1:EPC2152的功能图。(图片来源:EPC)E53ednc

另一个例子是来自GaN Systems公司的GS-065-004-1-L增强型硅基GaN功率晶体管。GaN的特性可实现大电流、高电压击穿和高开关频率。GaN Systems实现了其专利岛技术单元布局,用于实现大电流裸片性能和产量。GS-065-004-1-L是一种采用5mm×6mm PDFN封装的底部冷却晶体管,因此可以实现低结壳热阻。这些特性结合起来就提供了非常高效的电源开关。E53ednc

纳微半导体的NV6113在5mm×6mm QFN封装中集成了300mΩ、650V增强型GaN HEMT,以及栅极驱动器和关联逻辑。NV6113可以承受200V/ns的电压转换速率,并在高达2MHz的频率下工作。该器件针对高频和软开关拓扑进行了优化,可以用来创建易于使用的“数字输入,电源输出”高性能动力总成组件。该电源IC将传统拓扑(例如反激式、半桥式和谐振式)的性能扩展到了兆赫频带以上的开关频率。NV6113可以在典型的升压拓扑中作为单个器件部署,也可以在流行的半桥拓扑中并行部署。E53ednc

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图2:纳微半导体的NV6113典型应用电路。(图片来源:纳微半导体)E53ednc

德州仪器(TI)提供广泛的GaN集成电源器件组合。例如,LMG5200集成了一个基于增强型GaN FET的80V GaN半桥功率级。该器件由两个GaN FET组成,后者又由一个半桥结构的高频GaN FET驱动器驱动。为了简化该器件的设计,TI提供了高频电机驱动参考设计TIDA-00909,其中使用了一个三相逆变器以及三个LMG5200。TIDA-00909具有兼容接口,可连接到C2000 MCU LaunchPad开发工具包,从而便于性能评估。E53ednc

氮化镓与碳化硅

由于具有节能、尺寸微缩、集成方案和可靠性等特性,碳化硅(SiC)器件在电机控制和电力控制应用中的运用是一个重大突破。除此之外,现在可以在逆变器电路中为所连接的电机采用最佳开关频率,这对电机设计具有重要意义。E53ednc

在必须使用有源冷却来调节半导体损耗,从而实现高性能和高可靠性的解决方案中,降低高达80%的损耗可能会扭转局面。一个例子是来自英飞凌科技的基于SiC的CoolSiC MOSFET,并在针对1,200V优化的D2PAK-7 SMD封装中采用了.XT连接技术,因此就可以以小尺寸提供有吸引力的散热能力。这种组合就可以在伺服驱动器等高密度电机驱动领域实现无源冷却,从而使机器人和自动化行业能够创建免维护、无风扇的电机逆变器。自动化领域的无风扇解决方案开辟了新的设计可能性,因为它们节省了维护和材料上的金钱和时间。由此获得的小系统尺寸使其适合于机械臂中的驱动集成。E53ednc

与具有类似额定值的IGBT相比,根据为CoolSiC选择的功率类型,可以在相同的外形尺寸下实现更大的电流,同时仍然保持在SiC MOSFET(约40~60K)的情况下明显低于IGBT(105K)的恒定结温。对于给定的器件尺寸,使用SiC MOSFET,还可以在没有风扇的情况下驱动更大的电流。E53ednc

总结

从我们在家中和厨房使用的电气设备到我们驾驶的汽车(包括汽油动力、混合动力和全电动汽车)以及生产智能手机的工厂,电机几乎遍布现代文明的方方面面。虽然有些电机非常简单,有些则非常复杂,但它们都有一个共同点,即都需要控制。E53ednc

其他电机应用,诸如当今工业厂房中的应用,则需要用复杂的电机控制来提供高精度、高速的电机控制活动。传统的硅MOSFET和低PWM频率的逆变器正在直流电机和电池供电电机应用中被逐步淘汰,取而代之的则是基于GaN的高PWM频率的逆变器。其好处包括提高系统效率和消除大型无源元件,即电解电容器和输入电感器。E53ednc

(原文刊登于EDN姐妹网站Electronic Products,参考链接:GaN power devices offer advantages in industrial motor control,由Franklin Zhao编译。)E53ednc

本文为《电子技术设计》2022年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里E53ednc

责编:Franklin
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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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