|
來(lái)源：DigiKey 作者：Bill Schweber 對更高效利用能源的推動(dòng)、更嚴格的法規要求以及低溫運行的技術(shù)優(yōu)勢，所有這些都為近來(lái)降低電機功耗的舉措提供了支持。雖然硅 MOSFET 等開(kāi)關(guān)技術(shù)已得到廣泛應用，但它們往往無(wú)法滿(mǎn)足關(guān)鍵變頻器應用對性能和效率的更高要求。 氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙 (WBG) FET 器件技術(shù)，在成本、性能、可靠性和易用性方面都有很大改進(jìn)和進(jìn)步，設計人員可以利用 GaN 器件達成上述目標。GaN 器件現在已是主流，并已成為中等功率水平變頻器的首選。 本文探討了 Efficient Power Conversion Corporation (EPC) 的最新一代 GaN FET 如何幫助實(shí)現高性能電機變頻器。EPC 提供了評估板，可幫助設計人員熟悉 GaN 器件的特性并加速設計過(guò)程。 什么是變頻器？ 變頻器的作用是生成和調節驅動(dòng)電機，通常是無(wú)刷直流 (BLDC) 電機的功率波形。該器件通過(guò)控制電機的速度和扭矩，確保電機平穩啟動(dòng)和停止，實(shí)現反轉和加速率，以及滿(mǎn)足其他要求。變頻器還必須確保在負載發(fā)生變化時(shí)仍能實(shí)現并保持所需的電機性能。 請注意，不應將提供變頻輸出的電機變頻器與交流線(xiàn)路變頻器混淆。后者從汽車(chē)電池等電源中獲取直流電，提供固定頻率的 120/240 V 交流波形，該波形近似正弦波，可用于為線(xiàn)路供電的設備供電。 為什么要考慮 GaN？ 與硅器件相比，GaN 器件具有更優(yōu)越的特性，包括更高的開(kāi)關(guān)速度、更低的漏源導通電阻 (RDS(ON)) 和更好的熱性能。較低的 RDS(ON) 使 GaN 器件能夠用于更小、更輕的電機驅動(dòng)器，并降低功率損耗，從而在電動(dòng)自行車(chē)和無(wú)人機等應用中節省能源和成本。較低的開(kāi)關(guān)損耗會(huì )使電機驅動(dòng)效率更高，從而延長(cháng)輕型電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的續航里程。較快的開(kāi)關(guān)速度支持低延時(shí)電機響應，這對于機器人等需要精密電機控制的應用而言至關(guān)重要。GaN FET 還可用于開(kāi)發(fā)功率更大、效率更高的叉車(chē)電機驅動(dòng)器。GaN FET 具有更高的電流處理能力，因此可用于更大、功率更高的電機。 對于終端應用而言，最根本的好處是尺寸更小、重量更輕、功率密度和效率更高、熱性能更好。 GaN 入門(mén) 使用任何功率開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行設計，尤其是針對中等電流和電壓的設計，都必須關(guān)注器件的細枝末節和獨有特性。GaN 器件的內部結構有兩種：耗盡型 (d-GaN) 和增強型 (e-GaN)。d-GaN 開(kāi)關(guān)通常處于“接通”狀態(tài)，需要負電源，因此使用這種開(kāi)關(guān)的電路設計較為復雜。相比之下，e-GaN 開(kāi)關(guān)是通常處于“關(guān)斷”狀態(tài)的 MOSFET，因此電路架構更為簡(jiǎn)單。 GaN 器件本身具有雙向性，一旦其兩端的反向電壓超過(guò)柵極閾值電壓，就會(huì )開(kāi)始導電。此外，GaN 器件在設計上不支持雪崩工作模式，因此必須有足夠的額定電壓。對于降壓、升壓和橋式直流轉換拓撲，在最高 480 V 的母線(xiàn)電壓下，600 V 的額定電壓一般足以滿(mǎn)足要求。 雖然 GaN 開(kāi)關(guān)的基本開(kāi)/關(guān)功率切換功能很簡(jiǎn)單，但它們是功率器件，因此設計人員必須仔細考慮導通和關(guān)斷驅動(dòng)要求、開(kāi)關(guān)時(shí)序、布局、寄生影響、電流控制以及電路板上的阻抗 (IR) 壓降。 對于許多設計人員來(lái)說(shuō)，利用評估套件是了解 GaN 器件功能和使用方法的最有效方式。這些套件使用不同配置和功率水平的單個(gè)或多個(gè) GaN 器件。套件還包括相關(guān)的無(wú)源元器件，例如：電容器、電感器、電阻器、二極管、溫度傳感器、保護器件和連接器。 首先介紹低功率器件 EPC2065 是低功率 GaN FET 的一個(gè)出色范例。其漏源電壓 (VDS) 為 80 V，漏極電流 (ID) 為 60 A，RDS(ON) 為 3.6 mΩ。該器件僅以帶焊條的鈍化芯片結構提供，尺寸為 3.5 × 1.95 mm（圖 1）。 
圖 1：80 V、60 A EPC2065 GaN FET 是帶一體式焊條的鈍化芯片器件。（圖片來(lái)源：EPC） 與其他 GaN 器件一樣，EPC2065 的橫向器件結構和多數載流子二極管可提供極低的總柵極電荷 (QG) 和零反向恢復電荷 (QRR)。這些特性使其非常適合需要超高開(kāi)關(guān)頻率（高達幾百千赫茲）和低導通時(shí)間的應用場(chǎng)景，以及導通損耗占主導地位的場(chǎng)景。 該器件有兩個(gè)類(lèi)似的支持評估套件：EPC9167KIT 用于 20 A/500 W 的應用，而更大功率的 EPC9167HCKIT 用于 20 A/1 kW 的應用（圖 2）。兩者均為三相 BLDC 電機驅動(dòng)變頻器評估板。
圖 2：EPC9167 評估板的底部（左）和頂部（右）。（圖片來(lái)源：EPC） EPC9167KIT 的基本配置為每個(gè)開(kāi)關(guān)位置使用單個(gè) FET，每相可提供高達 15 ARMS（標稱(chēng)值）和 20 ARMS（峰值）的電流。相比之下，電流更高的 EPC9167HC 配置在每個(gè)開(kāi)關(guān)位置使用兩個(gè)并聯(lián) FET，可提供高達 20 ARMS/30 ARMS（標稱(chēng)值/峰值）的最大輸出電流，這表明 GaN FET 可相對容易地進(jìn)行并聯(lián)配置，以獲得更高輸出電流�；A EPC9167 評估板的框圖如圖 3 所示。
圖 3：BLDC 驅動(dòng)應用中的基礎 EPC9167 評估板框圖；較高功率的 EPC9167HC 每個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)了兩個(gè) EPC2065 器件，而較低功率的 EPC9167 每個(gè)開(kāi)關(guān)只有一個(gè) FET。（圖片來(lái)源：EPC） EPC9167KIT 包含支持完整電機驅動(dòng)變頻器的所有關(guān)鍵電路，包括柵極驅動(dòng)器、用于輔助電源的穩壓輔助電源軌、電壓檢測、溫度檢測、電流檢測和保護功能。 EPC9167 可與各種兼容控制器配合使用，并得到了許多制造商的支持。通過(guò)利用現有資源，可將其迅速配置為電機驅動(dòng)變頻器或 DC-DC 轉換器，從而實(shí)現快速開(kāi)發(fā)。在電機驅動(dòng)應用中，該器件提供多相 DC-DC 轉換，支持高達 250 kHz 的脈寬調制 (PWM) 開(kāi)關(guān)頻率；在非電機 DC-DC 應用中，其工作頻率可達 500 kHz。 現在來(lái)到更高功率 功率處理范圍的另一端是 EPC2302，這是一款具有 100 V/101 A 額定值且 RDS(ON) 僅為 1.8 mΩ 的 GaN FET。其非常適合 40 V 至 60 V 的高頻 DC-DC 應用和 48 V BLDC 電機驅動(dòng)器。與 EPC2065 使用的帶焊條鈍化芯片封裝不同，這款 GaN FET 采用 3 × 5 mm 的低電感 QFN 封裝，頂部外露以實(shí)現出色的熱管理。 外殼頂部的熱阻很低，每瓦僅 0.2°C，因此熱行為優(yōu)異，化解了散熱難題。其裸露的頂部增強了頂部的熱管理，而可焊接側翼則保證了在回流焊過(guò)程中，整個(gè)側焊盤(pán)表面沾上焊料。這樣既能保護覆銅，又能在外部側翼區域進(jìn)行焊接，便于光學(xué)檢查。 與具有類(lèi)似 RDS(on) 和額定電壓的同類(lèi)最佳硅 MOSFET 相比，EPC2302 的尺寸不到一半，而其 QG 和 QGD 則小得多，且 QRR 為零。因此，開(kāi)關(guān)損耗和柵極驅動(dòng)器損耗更低。EPC2302 的空載時(shí)間小于 10 ns，工作效率更高，同時(shí)其零值 QRR 增強了可靠性并減少了電磁干擾 (EMI)。 為了運行 EPC2302，EPC9186KIT 電機控制器/驅動(dòng)器電源管理評估板支持高達 5 kW 的電機，可提供高達 150 ARMS 和 212 APEAK 的最大輸出電流（圖 4）。
圖 4：EPC2302 的 EPC9186KIT 5 kW 評估板的頂部（左）和底部（右）。（圖片來(lái)源：EPC） 為了達到更高的額定電流，EPC9186KIT 在每個(gè)開(kāi)關(guān)位置使用四個(gè)并聯(lián) GaN FET，這表明使用這種方法可以輕松達到更高的電流水平。在電機驅動(dòng)應用中，該評估板支持高達 100 kHz 的 PWM 開(kāi)關(guān)頻率，并包含支持完整電機驅動(dòng)變頻器的所有關(guān)鍵功能，包括柵極驅動(dòng)器、穩壓輔助電源、電壓和溫度檢測、精確電流檢測和保護功能。 總結 電機變頻器是連接基本電源和電機的關(guān)鍵環(huán)節。設計更小尺寸、更高效率、更高性能的變頻器是一個(gè)日益重要的目標。針對用于中等功率變頻器的關(guān)鍵功率開(kāi)關(guān)器件，設計人員固然有多種工藝技術(shù)選擇，但首選是 GaN 器件，例如 EPC 提供的此類(lèi)器件。 |
