對緊湊而強大的電動機的需求給設計工程師帶來了新的挑戰。為了最大限度地提高小型電機的功率輸出，工程師們正在轉向高壓和高頻操作。硅 (Si) 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 和集成柵雙極晶體管 (IGBT)——傳統的開關模式逆變器（現代電動機控制的重要元件）所基于的——正在努力應對這些運營需求。有限的功率密度和擊穿電壓閾值限制了驅動電壓，并且高頻操作所需的快速切換推高了功率損耗。結果是效率低下和熱量積聚。

氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 為高壓和高頻電機驅動應用提供了 MOSFET 和 IGBT 的替代品。這些寬帶隙(WBG) 半導體器件正在為高功率密度電機開辟新的應用，因為它們可以處理更高的電壓、電流、溫度和開關頻率，而損耗比硅晶體管低得多。用于高功率密度電動機應用的集成 GaN HEMT 和驅動逆變器級的商業可用性正在簡化新技術的采用。

GaN HEMT 逆變器是對新一代陶瓷電容器的補充，該電容器可以處理高壓尖峰和浪涌，這些高壓尖峰和浪涌可能會對高功率密度電動機固有的傳統直流 (DC) 鏈路組件造成過壓。

下面，我們將探討高功率密度電動機功率級中使用的組件所面臨的挑戰，以及如何提出 GaN HEMT 和高性能陶瓷電容器作為解決方案。

電動機設計的進展

設計人員需要更小、更輕的電動機，以增強現有產品并使其能夠在廣泛的新應用中使用。高電源電壓和控制頻率有望提供解決方案。

高壓操作的優勢

標稱電機功率是電源電壓乘以電流 (V x A) 的乘積。傳統電動機在低電壓 (<1,000V) 下運行，要求它們以高電流運行以產生高功率。大電流操作的缺點是需要更大的線圈，這會增加線圈電阻并降低效率并提高溫度。高電壓 (≥10kV) 降低了電流要求，允許使用更小的線圈。缺點是電機組件（包括電機驅動電子設備）必須處理高電壓，限制了選擇并增加了成本。第二個缺點是小線圈具有低電感繞組，因此無法抑制開關電源產生的電流紋波。

高頻操作的優點

現代電機的一種常見類型是三相交流電 (AC) 類型，通過順序向電機的每個相（繞組）施加電流來驅動。電機轉子被繞組產生的旋轉磁場拉動，其轉速與工作頻率成正比（圖1）。

圖 1：應用于感應電動機每個相位的正弦信號會產生一個旋轉磁場，該磁場會拖動轉子。（來源：科學）

脈寬調制 (PWM) 疊加在基本工作頻率上，以控制啟動電流、扭矩和功率等參數。半導體晶體管（通常是 MOSFET 或 IGBT）的開關決定了 PWM 波形。

高頻 PWM 的一個關鍵優勢是電流紋波（整流后交流輸入的偽影）降低，克服了較小線圈的一個缺點。降低電流紋波需要更小、更便宜的無源元件進行濾波。高頻操作還減少了轉矩脈動——由于電機線圈的正弦輸入不夠完美而導致的不均勻電動勢——這可能導致電機振動和過早磨損。

總體而言，高頻開關提高了功率密度（每單位體積產生的功率），從而使較小的電機具有與較大設備相同的輸出。

傳統電機驅動器已達到極限

傳統的三相交流電機在高達 1,000V 的電壓和高達 20kHz 的開關頻率下運行。這樣的操作參數完全在用于構建電機驅動最后階段的反相橋的廉價且商業上廣泛使用的硅 MOSFET 的能力范圍內。

然而，由于這些原因，硅晶體管在高功率密度電機應用中達到了極限。

• 組件相對較低的擊穿電壓限制了電源電壓；
• 隨著工作頻率的升高，晶體管的開關損耗（由晶體管每次從開到關時的殘余電阻和電容引起）迅速超過效率增益；
• 由于開關時間相對較長，器件會達到一個閾值，超過該閾值就無法進行更高頻率的操作。

IGBT 較高的擊穿電壓提供了一些喘息的機會，允許工程師提高工作電壓和工作頻率。但隨著工作頻率攀升至 50kHz 以上，IGBT 開始遭受不可接受的開關損耗并且不能足夠快地開關。

GaN HEMT 的優勢

盡管硅是電子工業的支柱，但其他半導體通常用于需要高壓和高頻操作或需要耐高溫的專業應用。這些替代半導體的特點是寬帶隙 (WBG) - 衡量釋放電子在半導體中傳導所需的能量 - 與硅相比，它顯著改變了材料的電學特性。WBG 半導體的帶隙為 2eV 至 4eV，而硅的帶隙為 1eV 至 1.5eV。GaN 是商業上可用且經過驗證的 WBG 半導體的一個例子。

WBG 的特性

在硅 MOSFET 中，高于 100°C 的溫度會影響受控開關，因為一些電子從熱量（而不是開關電壓）中獲得足夠的能量以逃離母原子。由于 WBG 半導體的電子需要更多能量才能從原子中逸出并有助于傳導，因此在 GaN 晶體管中直到溫度達到 300°C 左右才會出現相同的效果。

WBG 半導體表現出比硅更高的擊穿電壓（高于 600V）。這很復雜，但部分是由于稱為電子飽和速度（也稱為電子遷移率）的特性。更高的遷移率允許 WBG 半導體材料處理兩倍于硅的電流密度 (A/cm 2 )。這一特性還允許 GaN HEMT 以硅 MOSFET 翻轉所需時間的四分之一左右進行切換。

由于寄生電阻和電極電阻，所有半導體晶體管都表現出通態功率損耗。諸如電極間電容等其他因素也會導致功率損耗。每次切換晶體管時都會發生損耗，并且與開關頻率和電機電流成正比。GaN HEMT 的寄生電阻和電極電阻約為硅 MOSFET 的一半，電極間電容約為五分之一。差異表明，對于給定的開關頻率和電機電流，GaN HEMT 的開關損耗約為硅 MOSFET 的 10% 至 30%。IGBT 在高頻下的開關損耗低于 MOSFET，但仍遠低于 GaN HEMT。

GaN HEMT 的最后一個優勢是晶體管不會受到反向恢復電荷的影響——當硅 MOSFET 從導通切換到關斷時剩余的少數載流子電荷會消散——這會導致硅 MOSFET 中的開關電流過沖（振鈴） ，可能會導致 EMI。

GaN HEMT 在電機設計中的使用

GaN HEMT 的電氣特性使其成為設計緊湊、高壓和高頻電動機的工程師的一個有吸引力的提議。總之，這些設備具有以下優勢：

• 高擊穿電壓，鼓勵使用更高（大于 1,000V）的輸入電壓
• 高電流密度，使基于 GaN 的組件能夠在不降低功率處理能力的情況下縮小
• 快速切換能力，允許高頻（200kHz 及以上）電動機運行
• 高頻操作，限制輸出電流紋波并允許減小濾波器元件尺寸
• 低開關損耗，限制功耗，提高效率
• 耐高溫，允許使用更小的散熱器
• 高度集成，允許在芯片上制造 GaN HEMT（與硅功率元件不同）。
• 減少材料清單 (BOM) 和解決方案尺寸，因為在電機驅動解決方案中，GaN HEMT 可以處理續流電流，而無需 IGBT 所需的反并聯二極管。

這些優勢使工程師能夠設計出高度緊湊的電機，其輸出與傳統電機相同，尺寸是傳統電機的兩倍以上，但功耗卻低得多。主要缺點是 GaN HEMT 設計需要高水平的電路開發和測試專業知識。

集成解決方案最大化 GaN HEMT 的優勢

直到最近，硅 MOSFET 和 IGBT 仍保留了優于 GaN HEMT 的一個關鍵優勢——它們廣泛的商業可用性。但今天，工程師可以輕松使用 GaN HEMT 技術。更好的是，硅供應商現在提供基于 GaN HEMT 的集成解決方案，簡化了高壓和高頻交流電機逆變器級。

以前，GaN HEMT 被封裝為帶有單獨驅動器的分立器件，因為晶體管和驅動器組件基于不同的工藝技術，并且通常由不同的制造商提供。這種布置的缺點是鍵合線具有增加開關損耗的寄生電阻和電感。將 GaN HEMT 和驅動器安裝在同一引線框架上可消除共源電感，這在快速開關（高 di/dt）電路中尤為重要。不需要的電感會產生振鈴，并可能導致電流保護機制出現異常。集成封裝的第二個關鍵優勢：熱感應可以內置到驅動器中，確保在出現過熱情況時關閉 GaN HEMT。

Texas Instruments在其LMG3410R070 GaN 功率級中提供 GaN HEMT 和驅動器集成（圖 2）。該公司將該產品描述為業界首款 600V GaN 驅動器產品。該器件是一個 8mm x 8mm 四方扁平無引線 (QFN) 多芯片模塊 (MCM)，包括一個 GaN HEMT 和帶有集成 20V 串聯 MOSFET 的驅動器。導通電阻是非常低的 75mΩ。柵極驅動器具有內置降壓/升壓轉換器，可產生關閉 GaN HEMT 所需的負電壓。

圖 2： Texas Instruments 的 LMG3410R70 GaN 功率級在緊湊型封裝中集成了 GaN HEMT 和驅動器。（來源：德州儀器）

LMG3410 GaN 功率級的一個關鍵優勢是它可以在硬開關期間控制壓擺率。這種控制對于限制印刷電路板 (PCB) 寄生障礙和 EMI 很重要。這款德州儀器 (TI) 產品使用可編程電流源來驅動 GaN 柵極，可將壓擺率設置在 30V/ns 至 100V/ns 之間。

LMG3410 還包括一個有用的故障輸出，用于通知主機微控制器是否因故障事件而停止切換。

采用半橋配置的兩個緊湊型 LMG3410 GaN 功率級可提供設計人員驅動高功率密度電動機各相所需的快速硬開關、低開關損耗、低寄生電感和零反向恢復電荷（圖3）。

圖 3：此應用電路原理圖顯示了采用半橋配置的兩個 Texas Instruments GaN 功率級，驅動三相電機的一個相位。（來源：德州儀器）

構建高性能電動機的驅動器

完整的交流電機驅動解決方案（圖 4）包括三個元素：整流器（AC/DC 轉換器）、DC 鏈路和逆變器（DC/AC 轉換器）。

圖 4：此電機驅動解決方案示意圖說明了直流鏈路電容器的位置。（來源：基美特）

整流器通常基于二極管或晶體管拓撲，將標準 50 或 60Hz 交流電源轉換為（近似）直流電源。來自整流器的直流電被過濾并存儲在直流鏈路電路中，直到逆變器使用它。然后，逆變器將直流電源轉換為三個正弦 PWM 信號，每個信號驅動電機的一個相位。

DC 元件執行幾個關鍵角色：

• 從整流級過濾電流和電壓紋波
• 過濾整流器電壓瞬變，否則可能會損壞逆變器的晶體管
• 提高電路效率
• 限制可能損壞晶體管的感應電流
• 確保平穩地向負載傳輸電力

雖然直流母線電路由安裝在電機驅動器的整流器和逆變器級之間的電源線上的單個電容器組成，實施起來很簡單，但它對電機的整體性能和效率的重要性使得選擇優質組件危急。

直流鏈路在具有高轉換率 (dV/dt) 和高電壓峰值的挑戰性條件下運行，因此設計人員選擇能夠承受此類壓力的器件非常重要。KEMET KC-LINK電容器使用陶瓷（鋯酸鈣，CaO 3 Zr）電介質和鎳內部電極，是一個不錯的選擇，因為它們專為高壓、高頻直流鏈路應用而設計。

KC-LINK 器件的關鍵屬性是非常低的等效串聯電阻 (ESR) 和等效串聯電感 (ESL)。低 ESR 和 ESL 值有助于提高效率，尤其是在高壓應用中。此外，電容器能夠在下一代電動機應用常見的高頻和高溫下工作。這些電容器可承受高達 10MHz 的頻率和 -55 至 150°C 的溫度范圍。這些器件還沒有隨電壓變化而產生的電容變化，并且符合汽車標準。

結論

WBG 半導體器件（例如用于電動機逆變器的 GaN HEMT 和用于直流鏈路的高性能電容器）的商業可用性正在滿足設計人員對為高功率密度電動機驅動器設計的可靠組件的需求。這些關鍵組件將使設計人員能夠使用緊湊、更輕、更便宜的電機來增強現有產品，同時將電機的使用擴展到廣泛的新應用。此外，新一代高功率密度電機將顯著降低能源需求，為更環保的地球做出貢獻。

審核編輯：符乾江