氮化鎵晶體管實現(xiàn)理想的電機逆變器功率損耗

與開關模式電源不同，三相電機驅動逆變器通常使用低開關頻率；只有幾萬赫茲。大功率電機尺寸較大，具有高電感繞組；因此，即使在低開關頻率下，電流紋波也是可以接受的。隨著電機技術的進步，功率密度增加；電機的外形尺寸變小，速度更快，需要更高的電頻率。

具有低定子電感的低壓無刷直流或交流感應電機越來越多地或專門用于伺服驅動、CNC（計算機數(shù)控）機器、機器人和公用無人機等精密應用中。為了將電流紋波保持在合理范圍內(nèi)，這些電機——由于其低電感——要求高達100kHz的開關頻率；相電流紋波與PWM（脈沖寬度調(diào)制）開關頻率成反比，并轉換為機械中的轉矩脈動，產(chǎn)生振動，降低驅動精度和效率。

那么工程師為什么不增加開關頻率呢？正如工程中的一貫原則，這是一種折衷的做法。逆變器的功率損耗主要包括傳導損耗和開關損耗。您可以通過減小開關元件（通常為MOSFET）的尺寸來降低給定工作頻率下的開關損耗，但這會導致傳導損耗增加。

在理想設計中，最高可實現(xiàn)效率受到半導體開關的技術的限制。使用傳統(tǒng)的基于低壓48V硅MOSFET的逆變器，40kHz PWM下的開關損耗可能已明顯高于傳導損耗，從而構成了整體功率損耗的絕大部分。為了耗散多余的熱量，需要更大的散熱器。不幸的是，這增加了系統(tǒng)成本、重量和解決方案總尺寸，這在空間受限的應用中是不期望的或不可接受的。

氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）具有優(yōu)于硅MOSFET的多種優(yōu)勢，開辟了新的可能性。GaN晶體管可以實現(xiàn)高得多的dV/dt壓擺率，因此可以比硅MOSFET更快地切換，從而顯著降低開關損耗。GaN晶體管的另一個優(yōu)勢是沒有反向恢復電荷，傳統(tǒng)硅MOSFET設計的反向恢復電荷會導致開關節(jié)點振鈴。表1比較了硅FET和GaN FET。

參數(shù)

Si-FET

TI的GaN (HEMT)

備注

元件結構

豎向

橫向

? ?

具體 RDS(ON), 面積

>10mW-cm2

5-8mW-cm2

更低的傳導損耗。

柵極電荷QG

~4nC-W

~1-1.5nC-W

降低柵極驅動器損耗，實現(xiàn)更快的開關速度，降低開關損耗和死區(qū)失真。

輸出電荷QOSS

~25nC-W

~5nC-W

更低的輸出電容可實現(xiàn)更快的開關速度并減少開關充電損耗

反向恢復QRR

~2-15mC-W

無

零反向恢復能夠實現(xiàn)高效的半橋逆變器，并減少/消除硬開關中的振鈴。

表1：硅功率MOSFET和TI的GaN FET（HEMT）對比

如果用新的GaN FET完全替換現(xiàn)有的硅MOSFET，就享受帶來的益處，世界會變得輕松簡單。例如，在柵極驅動電路和印刷電路板（PCB）布局中實現(xiàn)高壓擺率具有獨特的挑戰(zhàn)性。如果處理不當，更高的dV/dt意味著增加電磁干擾（EMI）。通道之間的傳播延遲失配將限制最佳可實現(xiàn)的死區(qū)時間，從而妨礙GaN FET實現(xiàn)其最佳性能。

TI的LMG5200?GaN功率級通過將兩個80V/10A 18-mΩGaN FET與柵極驅動器集成在相同的無鍵合6mm x 8mm四方扁平無引腳（QFN）封裝中，克服了這些困難。封裝引腳設計為低功耗回路阻抗，PCB布局簡單。輸入為5V TTL和3.3V CMOS邏輯兼容，并具有2ns的典型傳播延遲失配。這使得能夠實現(xiàn)非常短的死區(qū)時間，減少了損耗和輸出電流失真。

用于高速驅動的TI設計48V / 10A高頻PWM 3相GaN逆變器參考設計實現(xiàn)了具有三個LMG5200?半橋GaN功率模塊的B6逆變器拓撲結構。圖1為簡化框圖。本參考設計提供了一個TI BoosterPack?模塊兼容接口，用于連接到C2000?微控制器（MCU）LaunchPad?套件，以便進行性能評估。