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给电机用的GaN器件

2020-02-14 13:58 来源:电源网编译 编辑:咩咩

新兴的电子应用要求电动机设计要从越来越紧凑的平台中获得更高的性能。基于传统硅MOSFET和IGBT的电机驱动器电路,设计师很难满足新的要求。随着硅技术达到功率密度,击穿电压和开关频率的理论极限,设计人员更难控制功率损耗。这些限制的主要影响是在高工作温度和高开关速率下的次优效率和其他性能问题。

考虑一个基于硅的功率器件,其开关频率≥40 kHz。在这些条件下,开关损耗大于传导损耗,对整体功率损耗具有连锁效应。消散产生的多余热量需要散热器,从而增加了解决方案的重量,占地面积和成本。基于氮化镓(GaN)的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有出色的电气特性,并且在高压和高开关频率电机控制应用中是MOSFET和IGBT的有效替代品。我们这里的讨论集中在GaN HEMT晶体管在高功率密度电动机应用的功率级和逆变器级中提供的优势。

氮化镓的优点

氮化镓是宽禁带(WBG)材料。这样,其禁带(对应于电子从价带传递到导带所需的能量)的硅要宽得多:约为3.4电子伏特,而硅为1.12 eV。 GaN HEMT的较高电子迁移率转化为更高的开关速度,因为通常会在接头中累积的电荷可以更快地分散。 GaN可以实现更快的上升时间,更低的漏-源导通电阻(RDS(on))值以及减小的栅极和输出电容,这都有助于其低开关损耗,并能够以比开关频率高10倍的开关频率工作硅。减少功率损耗带来了更多好处,例如更高效的功率分配,更少的散热和更简单的冷却系统。

给电机用的GaN器件


图1:GaN和硅晶体管的整体器件损耗(图片:德州仪器(Texas Instruments))

在高开关频率下工作的可能性使解决方案的占位面积,重量和体积得以减少,从而避免了使用笨重的组件,例如电感器和变压器。图1显示了随着开关频率的升高,采用硅和氮化镓技术制造的功率器件的导通和开关损耗趋势线。对于这两种材料,传导损耗均保持恒定,而开关损耗则增加。但是,随着开关频率的增加,GaN HEMT晶体管的开关损耗仍远低于硅MOSFET或IGBT的开关损耗,并且开关频率越高,差异变得越明显。

GaN HEMT与传统硅器件相比的主要优势是:

较高的压摆率(dV / dt为100 V / ns或更高),进而支持更快的开关速率,从而降低了开关损耗;

几乎为零的反向恢复电荷(因为GaN HEMT不具有本征体二极管,不需要反并联二极管,并且降低了功率损耗和电磁干扰[EMI]效果);

在较高温度(最高约300°C)下完全运行,而不会影响开关性能;

更高的击穿电压(高于600 V);

在给定的开关频率和电机电流下,开关损耗是硅MOSFET的10%至30%;效率更高,占地面积更小,重量更轻。

所有这些特性都有利于在高压和高频电动机的驱动器设计中使用GaN HEMT器件。借助GaN HEMT,设计人员可以制造出与硅基设计具有相同输出特性的电动机,但尺寸更紧凑,功耗更低。

高性能电动机驱动器

低压,低电感,高转速的无刷电动机需要驱动器电路,其典型开关频率在40 kHz至100 kHz之间,能够最大程度地减少电动机转矩的损失和变化。如图2所示,用于驱动AC电动机的常见解决方案包括AC / DC转换器,DC电路(在图2中由电容器表示)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 / 60Hz主电压转换为近似的DC电压,随后将其滤波并存储在DC电路中,以供逆变器稍后使用。最后,逆变器将直流电压转换为三个正弦脉宽调制(PWM)信号,每个信号驱动一个电动机相。

给电机用的GaN器件

图2:典型电机驱动器解决方案的简化框图(图片:Texas Instruments)

DC电路对来自AC / DC转换器的电压和电流进行滤波,抑制可能损坏逆变器晶体管的电压瞬变,减少可能损坏逆变器晶体管的电感电流,稳定提供给负载的电压,并提高整体效率。电容器必须在特别关键的条件下工作,例如高压摆率和高电压峰值。因此,设计人员应仔细选择电容器,以确保所需的高压功能-例如,选择贱金属电极(BME)电容器。

集成电源解决方案

再次参考图2,GaN HEMT晶体管通常用于实现电机驱动器逆变器级,这是高压和高频电机驱动器解决方案的最关键点。如今,几种基于GaN技术的集成器件已在市场上出售。

例如,Navitas Semiconductor的NV6113集成了300mΩ,650V增强型GaN HEMT。栅极驱动器;以及相关逻辑,全部采用5×6mm QFN封装。 NV6113可以承受200 V / ns的压摆率,并且最高可在2 MHz下工作。该器件针对高频和软开关拓扑进行了优化,从而创建了易于使用的“数字输入,输出”高性能动力总成模块。电源IC将传统拓扑(例如反激,半桥和谐振类型)的功能扩展到了兆赫兹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设备部署,也可以在流行的半桥拓扑中并行部署。

德州仪器(TI)有一系列GaN集成功率器件。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,由一个半桥配置的高频GaN FET驱动器驱动。为了简化该器件的设计,TI提供了TIDA-00909,这是使用带有三个LMG5200的三相逆变器的高频电动机驱动器的参考设计。 TIDA-00909带有兼容的接口,可连接到C2000 MCU LaunchPad开发套件,以方便进行性能评估。

给电机用的GaN器件

图3:TIDA-00909框图(图片:德州仪器(TI)

图3是三相GaN逆变器的系统框图。红色虚线定义了TIDA-00909的边界。三个逆变器半桥中的每一个均采用集成的80V,10A GaN半桥模块(LMG5200); 5mΩ相电流分流器;差分电流检测放大器(INA240),其增益为20 V / V,中点电压为1.65 V,由3.3V参考电压(VREF3333)设置。

宽禁带半导体(包括GaN HEMT)的商业可用性使设计人员能够创建高效且可靠的逆变器级,以驱动高功率密度电动机。与基于硅的MOSFET和IGBT相比,GaN HEMT可以提供更高效,更紧凑,重量更轻,更经济的驱动器。

本文编译自powerelectronicsnews。

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