歐洲大約一半的電力流入電力驅動。因此，歐盟委員會和成員國政府制定了法規和標準，使電力消耗盡可能高效，電網需求盡可能低也就不足為奇了。變速驅動器（VSD）現已成為行業標準，因為與舊的恒速感應電機相比，它們可降低高達90%的能耗。同時，它可以減小尺寸并提高性能和可靠性。

IEC 61000等標準旨在保證電網穩定性，因為特別是電機等大型感性用電設備會嚴重破壞本地電網。為此有多種解決方案，例如功率因數校正（PFC），以優化每個負載點電網的有功功耗。

氮化鎵改進性能和成本

氮化鎵（GaN）是一種具有寬帶隙的半導體，其開關速度比硅元件快20倍，并且可以處理高達三倍的功率密度。如果在電機驅動器的PFC和轉換器級中使用GaN開關，則可以顯著降低功率損耗和系統尺寸 - 最終，轉換器甚至可以集成到電機中。

GaN FET沒有PN結，因此沒有反向恢復和相關電荷，開關損耗降低了75%至80%，總損耗降低了一半以上。這在顯著減少發熱方面立即顯現出來，這可以大大減少散熱器 - 或者在低功耗驅動器中完全省略。2021年，散熱器的鋁價每公斤上漲8美元，達到13年來未見的水平，因此更小的散熱器可以降低系統成本。此外，由于設備重量更小，運輸成本也降低了。

由于沒有開關延遲且開關損耗低，氮化鎵在開關頻率中開辟了新的自由度，也為轉換器的熱設計開辟了自由度。電機集成驅動器的環境很惡劣，因為除了振動和強磁場外，還可能存在較高的環境溫度，這使得冷卻開關器件變得更加困難。因此，最好首先使用產生盡可能低損耗的功率開關。

集成帶來進一步的改進

納微半導體的GaNSense技術將GaN開關的性能與必要的驅動、保護和傳感器電路相結合（圖1）。

圖1. 納微采用氮化鎵技術的GaNFast IC提供全系列的集成、自主保護和測量電路。（圖片來源：納微半導體）

這使得這些組件特別適用于可靠和堅固的電機驅動器。集成和優化的柵極控制具有自己的電壓調節器和過熱和電流保護電路，可以保護開關器件，而不會給外部微控制器帶來負擔。輸入信號是常規數字信號，避免了外部元件并減少了電路板空間，這對于所有電子元件都內置在電機外殼中的緊湊型驅動轉換器非常重要。與通常用于硅基開關器件或其它GaN解決方案的分立保護電路相比，GaNSense可以在發生故障時在30ns內保護開關 - 即速度快幾倍 - 從而顯著提高系統可靠性。更多細節可以在[1]中找到。由于溫度監控也集成在器件中，因此散熱器上不需要NTC傳感器，從而提高了精度并實現了實時溫度監控。這對于無法輕松更換或維護的電機集成驅動器非常重要，尤其是在工業應用中，并且需要最大的可靠性和可用性。過熱時的內置關斷功能可靠地停止所有開關操作，以便在發生故障時快速做出反應。

在采用氮化鎵的納微氮化鎵IC中，開關中的電流測量不會產生任何損耗。這消除了大而昂貴的分流電阻器，但保護電路可以在發生過電流時快速關斷半導體，這是工廠自動化驅動器所必需的。此外，所需的元件總數減少了，這不僅節省了寶貴的電路板空間，而且還降低了時間故障率（FIT）。納微最近還宣布為這些產品提供20年有條件保修，旨在強調產品的卓越可靠性。

圖2. 采用納微半導體新型氮化鎵半橋IC的400W電機轉換器參考設計。（圖片來源：納微半導體）

所有這些新的半橋產品均采用6×8mm PQFN封裝，與電路板具有非常好的熱連接以及低寄生電感和電阻。這些半橋具有與該公司的GaNFast單開關相同的堅固性和可靠性，后者已經上市多年，并享有最近宣布的20年保修期。有關模塊的更多信息，請參見相應的數據手冊和[2]。

400W電機驅動器參考設計

半橋GaN IC的出現使得實現緊湊型電機轉換器成為可能。功率級的三個半橋之一的接線圖如圖3所示。

圖3. 功率級的三個半橋之一的電路圖–除了GaN IC，只需要很少的組件。（圖片來源：納微半導體）

這是第二相的電路，所有三相都是相同的。主要組件是NV6247，其中包含輸入電路（PWM）和控制以及兩個GaN開關。內置自舉電路為上部晶體管驅動器提供必要的電源電路。還包括一個電平轉換器，該電平轉換器獨立于輸出將輸入信號傳輸到上驅動器級，允許兩個輸入信號與地電位相關。這使得該模塊具有直接數字可控的性能水平。此外，還集成了多種傳感器功能。該器件測量下部GaN開關中的電流，并將其轉換為CS引腳上可用的小測量電流。此外，GaN IC的溫度被測量并饋送到比較器，以便在溫度過高時關斷。

IC 連接器包括上部氮化鎵開關的漏極（VIN，連接到 VBUS）、半橋中心（VSW，連接到 PHB）、下部氮化鎵開關和 IC 接地的源極連接器 （PGND）、IC的電源電壓（VCC）、下方柵極電源（VDDL）、下開關壓擺率調整（RDDL）、5V電源輸出（5VL）、兩個接地相關PWM輸入（INL、INH）、測量電流的輸出（CS）， 使能連接器用于自動待機功能（/STBY）、上驅動器電源（VB）、柵極電源頂部（VDDH）、5V電源輸出頂部（5VH）。GaN IC周圍的外部元件包括連接在VCC引腳和PGND之間的VCC塊電容（CVCC）、VDDL和PGND之間的另一個VDDL電容（CVDDL）、連接CS和PGND之間電流檢測的電阻器（RSET）、5V電源的電容（C5VL）、用于調節VDDL和RDDL之間開關速度（RDDL）的電阻器。自動待機使能引腳（/STBY）連接到PGND以啟用此模式，或連接到5VL以禁用它。

GaN IC上部周圍的外部元件包括VB和VSW之間的VB隔離電容（CVB）、VDDH和VSW之間的VDDH隔離電容（CVDDH）以及5VH和VSW之間的5V電容（C5VH）。為了正確設計喚醒和保持時間以及待機功耗，必須根據系統考慮因素仔細選擇用于VB、5VH和VDDH的上部電容器。右側是VBUS電容器，可以使用薄膜或電解電容器。小型高壓電容器可濾除電源上不需要的諧振，因為此設計專為直流輸入而設計。最后，R17和C18可以選擇用于防止輸出端的共振，這可能是由于電機連接線較長而導致的。

需要注意的是，用戶可以使用外部電阻（本例中為R7）調整斷路器的開關速度。較慢的開關速度會增加開關損耗，但不會增加，因為這些損耗從一開始就非常低。這使得開關速度能夠適應發動機的需求，并且可以調整產生的排放以滿足所需的標準并減小EMI濾波器組件的尺寸。50Ω是一個很好的起點。

可以選擇CS引腳（R8）上的電阻，以便適當調整微控制器ADC輸入端的產生電壓。但是，如果該引腳上的電壓超過1.9V，則集成的過流關斷變為激活狀態。因此，重要的是要知道電阻值會影響輸出電壓和過流關斷。

自動待機功能旨在降低NV6247在沒有開關操作時的功耗。如果在大約90μs內未檢測到輸入邊沿，GaN IC將自動切換到低功耗工作模式，禁用柵極驅動器和其它電路部件，并將工作電流降至低值。當再次施加INL脈沖時，IC將在喚醒時間（通常為450 ns）后恢復正常工作模式。

參考設計的測量結果

圖4. 逆變器的效率在寬負載范圍內達到99%。（圖片來源：納微半導體）

該板在BLDC電機和機械負載下進行了測試，工作條件如下：直流輸入電壓300V，環境溫度+25°C，用于電機控制的FOC算法，開關頻率20kHz。確定電路板對環境的熱阻（R th，CA）約為12.5K/W。圖4顯示了逆變器在未考慮電機效率的情況下產生的效率，在300W功率下達到99%。

盡管逆變器的效率通常優于電機的效率，但為了適當設計冷卻，確定并最小化逆變器中的損耗仍然很重要。在300W輸出功率下，功耗小于3W，可以大幅降低散熱器。這使得系統更易于熱設計，系統變得更加可靠，并且在某些情況下可以避免與安裝較大散熱器相關的安裝工作。兩條曲線表明，開關速度（紅色=20V/ns，藍色= 40V/ns）對效率的影響很小。

圖5. 電路板的熱掃描：在300W輸出功率和+25°C環境溫度下，IC封裝的溫度幾乎無法達到+60°C。（圖片來源：納微半導體）

圖5顯示，在300W輸出功率和+25°C環境溫度下，IC封裝的溫度幾乎無法達到+60°C。由于器件的PQFN外殼與電路板的熱連接良好，因此最大輸出功率基本上由環境溫度以及最大允許電路板溫度（通常為+105°C）決定。GaN開關本身即使在明顯更高的溫度下也能完美工作，這意味著該技術具有非常高的可靠性，并且對短路或轉子堵塞等異常工作條件具有魯棒性。在這兩種故障中，開關器件的溫度都會迅速飆升。

結論

每個電機都有不同的要求，但重要的趨勢都朝著同一個方向發展：提高效率、更好的性能、更低的系統成本。納微的GaNSense半橋IC旨在滿足這些趨勢，降低功耗，同時降低總體成本。它們在控制、保護和傳感器技術方面具有高集成密度，使電機集成轉換器具有高性能和可靠性。