隨著工業、辦公設備和家庭自動化等領域的不斷發展，電機及其驅動器越來越多地用于從工業機械臂控制到消費級市場的家用洗衣機等各種應用場景。人類應用電機已經有一個多世紀，但是面對未來應用場景中對運動控制更高的靈活性要求，我們需要更加“智能”的電機驅動控制以實現更好的功能和節能效果。面對工業級應用場景，電機及驅動設計需要面向小型化，輕量化以及高運行效率。同時，面對消費級市場，電機及驅動設計需要保持低成本。

通過采用電子馬達驅動器或“電壓源逆變器”可實現對電機的增強型控制，此類驅動器通常會產生可變頻率和幅值的三相交流電來控制馬達的速度、扭矩和方向。驅動器采用開關電源技術，通常在16kHz左右運行，并通過脈沖寬度調制實現輸出控制。數十年來，諸如硅MOSFET之類的半導體器件的開關速度已經提升到一個更高數量級。但在馬達驅動器中，更高的開關頻率帶來的磁性元件體積減小的優勢并不明顯。電機設計中， 磁性元件本身就是電機本體，其尺寸需根據應用場合而定。因此，為了使開關損耗最小，保持較低的開關頻率則是明智的選擇。同時，MOSFET之類的高頻器件所具有的高速開關特性實際上也存在其自身的問題。較高“ dV/dt”會帶來馬達繞組間較大的絕緣應力以及電壓過沖或諧振，從而導致擊穿和“局部放電”老化等風險。此外，其產生的跟高的電磁干擾（EMI），需要安裝額外的濾波器，同時共模EMI電流會通過馬達軸承傳到至地面，從而在軸承座圈中產生顫動形式的機械磨損。

集成功率模塊

盡管缺乏高頻開關的優勢，IGBT仍被普遍使用于電機驅動，可以實現更高的驅動效率。硅基MOSFET也同樣在應用中減慢柵極驅動速度以用于電機驅動，通過加入緩沖電路和在三相驅動輸出中采用外部串聯和共模濾波器來降低開關速率，但所有這些都會在一定程度上影響效率。在中小功率下，MOSFET具有更低的開關及導通損耗。兩種類型器件都有相關集成“智能電源模塊（IPM）”產品提供，它們集成有所需的六個開關，柵極驅動器以及保護功能。

采用氮化鎵技術的寬帶隙功率器件

集成硅器件的智能電源模塊可以實現高效率驅動，但同時由于其半導體材料限制難以進一步提高。更高的效率不僅可以節省能源和成本，而且還可以采用更便宜，體積更小，重量更輕的散熱器。如果通過技術革新可以不再需要安裝散熱風扇，或者允許在機械臂中將驅動直接集成到電機旁邊，而不是放置在遠程機柜中，其帶來的優勢顯而易見。目前，可以通過氮化鎵技術（GaN）制造高電子遷移率晶體管（HEMT）應用于電機驅動。英飛凌提供的這種寬帶隙技術比其他同類硅MOSFET具有更低的導通損耗，而這是實現上述集成電機驅動的技術關鍵，其帶來的電機驅動整體的體積及效率優化遠超單一氮化鎵晶體管的相對價格劣勢。

控制dV/dt是關鍵

CoolGaN?等GaN開關速度非常快，能夠達到數百kV/μs的開關速率（edge rate），這對于工作在1MHz或更高頻率下的微型AC-DC和DC-DC轉換器是一個重要屬性。然而，在低頻馬達驅動器中，與較早技術中本已很小的開關損耗相比，沒有辦法帶來明顯的效率優化，但EMI、諧振、故障和軸承磨損等問題在高開關速率下卻更加嚴重。因此，必須將開關速率控制在更適當水平。如果需要同時保持高效率，有損緩沖器和外部濾波器顯然不是理想方案，此時可以考慮采用減慢開關器件柵極驅動信號的方案。典型的方法是增加串聯柵極電阻，和柵極電容形成R-C濾波器，從而減慢開關速度，通常兩個電阻與二極管控制一起使用，以獨立控制導通和關斷過程。這種方法在硅器件中很常見，但對于GaN器件卻存在一個問題，在不同工作條件下，柵極電容會在30dB范圍內變化，而對于MOSFET，變化范圍要小得多。這意味著引入的延遲也需要在很大范圍內變化，才能控制開關速率dV/dt在期望范圍內。為了保證電機運行可靠性，開關速率應不超過約5kV/μs（5V/ns）。因此，如果電阻器將此設置為最壞的情況，在其他條件下，開關速率將慢得多，有可能對運行效率造成很大影響（見圖1）。

圖1：添加一個簡單的柵極電阻會導致可變的dV/dt限制

功率器件總柵極電容CRSS的變化主要是由于“米勒（Miller）”效應，其中柵極-漏極電容CGD由于漏極從高電壓過渡到低壓再返回高電壓而得到有效放大，可變的器件輸出電容COSS和輸入電容CISS也起到了一定作用。

一種優化開關速率的有效解決方案是通過電容采樣漏極電壓，該電容會產生與dV/dt成比例的電流，然后可以將其饋送到柵極驅動電路，以控制柵極充電和放電電流，并在各種條件下保持恒定的開關速率。但是，由于增加了一個高壓電容器，作為一個分立元件，該電容器不容易集成到智能功率模塊中，因此實施起來存在一些問題。由于智能功率模塊中控制器需要額外的引線接合，其成本也會隨之增加。此外，電容器連接中的寄生電感可能會導致持續的振蕩和設備故障。

該電容器可作為GaN晶片的一部分進行制造，并通過引線接合進行連接，但是Infineon工程師意識到，在GaN晶片中從漏極到柵極簡單地集成一個很小的電容器會對整體電容產生顯著的“線性化”影響。所選取的電容值很小，約為1.2 pF，會導致現有值兩倍左右總柵極電荷值。驅動損耗會增加，但是在16kHz開關頻率下大約為50μW，因而可忽略不計。圖2顯示了這種效果，其中開關速率精確地限制在5V/ns左右，在較輕負載下dV/dt自然會回落到較低值。

圖2：在包括GaN線性化電容在內的所有條件下，邊沿速率均受到限制

技術進步使英飛凌科技能夠設計高效智能功率模塊，其效率比同等應用中的Si-MOSFET器件高出很多，同時將開關速率控制在可接受水平。表1中兩種技術的比較表明，在馬達驅動應用中，表1 比較了硅基和氮化鎵IPM的三種驅動方案，在相同溫升情況下，GaN器件損耗幾乎減少一半，充分利用了智能功率模塊中GaN器件更低的導通電阻。氮化鎵IPM的優勢也體現在從有散熱器設計面向無散熱器設計，以及在相同體積的驅動電路下驅動更大功率的電機。在兩種情況下都可以節省系統成本。

表1：MOSFET和GaN開關技術的智能功率模塊功能比較

結論

采用集成線性化電容器方案的氮化鎵IPM，與硅技術相比，在用于電機驅動應用時的功率損耗顯著降低，同時也不會出現影響可靠性和EMI兼容性的高開關速率問題。現在，英飛凌科技的GaN器件已被證明具有良好的特性，足以應對電機驅動應用中經常出現的應力和短路等問題。

GaN器件不再是單純的新奇產品，它們的價值已經在直流輸出功率轉換器中得到體現，現在已證明它們也有潛力降低電機驅動器的系統成本，這提供了新的GaN器件應用市場。

文章來源：ednchina AC-DC應用資深首席工程師，英飛凌科技

編輯：ymf