對(duì)緊湊而強(qiáng)大的電動(dòng)機(jī)的需求給設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為了最大限度地提高小型電機(jī)的功率輸出，工程師們正在轉(zhuǎn)向高壓和高頻操作。硅 (Si) 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 和集成柵雙極晶體管 (IGBT)——傳統(tǒng)的開關(guān)模式逆變器（現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)控制的重要元件）所基于的——正在努力應(yīng)對(duì)這些運(yùn)營(yíng)需求。有限的功率密度和擊穿電壓閾值限制了驅(qū)動(dòng)電壓，并且高頻操作所需的快速切換推高了功率損耗。結(jié)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(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供了 MOSFET 和 IGBT 的替代品。這些寬帶隙(WBG) 半導(dǎo)體器件正在為高功率密度電機(jī)開辟新的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兛梢蕴幚砀叩碾妷骸?a href="http://qiaming.cn/tags/電流/" target="_blank">電流、溫度和開關(guān)頻率，而損耗比硅晶體管低得多。用于高功率密度電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的集成 GaN HEMT 和驅(qū)動(dòng)逆變器級(jí)的商業(yè)可用性正在簡(jiǎn)化新技術(shù)的采用。

GaN HEMT 逆變器是對(duì)新一代陶瓷電容器的補(bǔ)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(huì)對(duì)高功率密度電動(dòng)機(jī)固有的傳統(tǒng)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(dòng)機(jī)功率級(jí)中使用的組件所面臨的挑戰(zhàn)，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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)展

設(shè)計(jì)人員需要更小、更輕的電動(dòng)機(jī)，以增強(qiáng)現(xiàn)有產(chǎn)品并使其能夠在廣泛的新應(yīng)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(yōu)勢(shì)

標(biāo)稱電機(jī)功率是電源電壓乘以電流 (V x A) 的乘積。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)在低電壓 (<1,000V) 下運(yùn)行，要求它們以高電流運(yùn)行以產(chǎn)生高功率。大電流操作的缺點(diǎn)是需要更大的線圈，這會(huì)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(diǎn)是電機(jī)組件（包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備）必須處理高電壓，限制了選擇并增加了成本。第二個(gè)缺點(diǎn)是小線圈具有低電感繞組，因此無(wú)法抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的電流紋波。

高頻操作的優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)代電機(jī)的一種常見類型是三相交流電 (AC) 類型，通過順序向電機(jī)的每個(gè)相（繞組）施加電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子被繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拉動(dòng)，其轉(zhuǎn)速與工作頻率成正比（圖1）。

圖 1：應(yīng)用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)每個(gè)相位的正弦信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子。（來(lái)源：科學(xué)）

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

高頻 PWM 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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(gè)缺點(diǎn)。降低電流紋波需要更小、更便宜的無(wú)源元件進(jìn)行濾波。高頻操作還減少了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)——由于電機(jī)線圈的正弦輸入不夠完美而導(dǎo)致的不均勻電動(dòng)勢(shì)——這可能導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)和過早磨損。

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

傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器已達(dá)到極限

傳統(tǒng)的三相交流電機(jī)在高達(dá) 1,000V 的電壓和高達(dá) 20kHz 的開關(guān)頻率下運(yùn)行。這樣的操作參數(shù)完全在用于構(gòu)建電機(jī)驅(qū)動(dòng)最后階段的反相橋的廉價(jià)且商業(yè)上廣泛使用的硅 MOSFET 的能力范圍內(nèi)。

然而，由于這些原因，硅晶體管在高功率密度電機(jī)應(yīng)用中達(dá)到了極限。

• 組件相對(duì)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(guān)損耗（由晶體管每次從開到關(guān)時(shí)的殘余電阻和電容引起）迅速超過效率增益；
• 由于開關(guān)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，器件會(huì)達(dá)到一個(gè)閾值，超過該閾值就無(wú)法進(jìn)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(jī)會(huì)，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(guān)損耗并且不能足夠快地開關(guān)。

GaN HEMT 的優(yōu)勢(shì)

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

WBG 的特性

在硅 MOSFET 中，高于 100°C 的溫度會(huì)影響受控開關(guān)，因?yàn)橐恍╇娮訌臒崃浚ǘ皇情_關(guān)電壓）中獲得足夠的能量以逃離母原子。由于 WBG 半導(dǎo)體的電子需要更多能量才能從原子中逸出并有助于傳導(dǎo)，因此在 GaN 晶體管中直到溫度達(dá)到 300°C 左右才會(huì)出現(xiàn)相同的效果。

WBG 半導(dǎo)體表現(xiàn)出比硅更高的擊穿電壓（高于 600V）。這很復(fù)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(dǎo)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(zhuǎn)所需時(shí)間的四分之一左右進(jìn)行切換。

由于寄生電阻和電極電阻，所有半導(dǎo)體晶體管都表現(xiàn)出通態(tài)功率損耗。諸如電極間電容等其他因素也會(huì)導(dǎo)致功率損耗。每次切換晶體管時(shí)都會(huì)發(fā)生損耗，并且與開關(guān)頻率和電機(jī)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(duì)于給定的開關(guān)頻率和電機(jī)電流，GaN HEMT 的開關(guān)損耗約為硅 MOSFET 的 10% 至 30%。IGBT 在高頻下的開關(guān)損耗低于 MOSFET，但仍遠(yuǎn)低于 GaN HEMT。

GaN HEMT 的最后一個(gè)優(yōu)勢(shì)是晶體管不會(huì)受到反向恢復(fù)電荷的影響——當(dāng)硅 MOSFET 從導(dǎo)通切換到關(guān)斷時(shí)剩余的少數(shù)載流子電荷會(huì)消散——這會(huì)導(dǎo)致硅 MOSFET 中的開關(guān)電流過沖（振鈴） ，可能會(huì)導(dǎo)致 EMI。

GaN HEMT 在電機(jī)設(shè)計(jì)中的使用

GaN HEMT 的電氣特性使其成為設(shè)計(jì)緊湊、高壓和高頻電動(dòng)機(jī)的工程師的一個(gè)有吸引力的提議?？傊@些設(shè)備具有以下優(yōu)勢(shì)：

• 高擊穿電壓，鼓勵(lì)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(dòng)機(jī)運(yùn)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(guān)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?yàn)樵陔姍C(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案中，GaN HEMT 可以處理續(xù)流電流，而無(wú)需 IGBT 所需的反并聯(lián)二極管。

這些優(yōu)勢(shì)使工程師能夠設(shè)計(jì)出高度緊湊的電機(jī)，其輸出與傳統(tǒng)電機(jī)相同，尺寸是傳統(tǒng)電機(jī)的兩倍以上，但功耗卻低得多。主要缺點(diǎn)是 GaN HEMT 設(shè)計(jì)需要高水平的電路開發(fā)和測(cè)試專業(yè)知識(shí)。

集成解決方案最大化 GaN HEMT 的優(yōu)勢(shì)

直到最近，硅 MOSFET 和 IGBT 仍保留了優(yōu)于 GaN HEMT 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)——它們廣泛的商業(yè)可用性。但今天，工程師可以輕松使用 GaN HEMT 技術(shù)。更好的是，硅供應(yīng)商現(xiàn)在提供基于 GaN HEMT 的集成解決方案，簡(jiǎn)化了高壓和高頻交流電機(jī)逆變器級(jí)。

以前，GaN HEMT 被封裝為帶有單獨(dú)驅(qū)動(dòng)器的分立器件，因?yàn)榫w管和驅(qū)動(dòng)器組件基于不同的工藝技術(shù)，并且通常由不同的制造商提供。這種布置的缺點(diǎn)是鍵合線具有增加開關(guān)損耗的寄生電阻和電感。將 GaN HEMT 和驅(qū)動(dòng)器安裝在同一引線框架上可消除共源電感，這在快速開關(guān)（高 di/dt）電路中尤為重要。不需要的電感會(huì)產(chǎn)生振鈴，并可能導(dǎo)致電流保護(hù)機(jī)制出現(xiàn)異常。集成封裝的第二個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：熱感應(yīng)可以內(nèi)置到驅(qū)動(dòng)器中，確保在出現(xiàn)過熱情況時(shí)關(guān)閉 GaN HEMT。

Texas Instruments在其LMG3410R070 GaN 功率級(jí)中提供 GaN HEMT 和驅(qū)動(dòng)器集成（圖 2）。該公司將該產(chǎn)品描述為業(yè)界首款 600V GaN 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。該器件是一個(gè) 8mm x 8mm 四方扁平無(wú)引線 (QFN) 多芯片模塊 (MCM)，包括一個(gè) GaN HEMT 和帶有集成 20V 串聯(lián) MOSFET 的驅(qū)動(dòng)器。導(dǎo)通電阻是非常低的 75mΩ。柵極驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)置降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生關(guān)閉 GaN HEMT 所需的負(fù)電壓。

圖 2： Texas Instruments 的 LMG3410R70 GaN 功率級(jí)在緊湊型封裝中集成了 GaN HEMT 和驅(qū)動(dòng)器。（來(lái)源：德州儀器）

LMG3410 GaN 功率級(jí)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它可以在硬開關(guān)期間控制壓擺率。這種控制對(duì)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(chǎn)品使用可編程電流源來(lái)驅(qū)動(dòng) GaN 柵極，可將壓擺率設(shè)置在 30V/ns 至 100V/ns 之間。

LMG3410 還包括一個(gè)有用的故障輸出，用于通知主機(jī)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(gè)緊湊型 LMG3410 GaN 功率級(jí)可提供設(shè)計(jì)人員驅(qū)動(dòng)高功率密度電動(dòng)機(jī)各相所需的快速硬開關(guān)、低開關(guān)損耗、低寄生電感和零反向恢復(fù)電荷（圖3）。

圖 3：此應(yīng)用電路原理圖顯示了采用半橋配置的兩個(gè) Texas Instruments GaN 功率級(jí)，驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)的一個(gè)相位。（來(lái)源：德州儀器）

構(gòu)建高性能電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器

完整的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案（圖 4）包括三個(gè)元素：整流器（AC/DC 轉(zhuǎn)換器）、DC 鏈路和逆變器（DC/AC 轉(zhuǎn)換器）。

圖 4：此電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案示意圖說(shuō)明了直流鏈路電容器的位置。（來(lái)源：基美特）

整流器通常基于二極管或晶體管拓?fù)?，將?biāo)準(zhǔn) 50 或 60Hz 交流電源轉(zhuǎn)換為（近似）直流電源。來(lái)自整流器的直流電被過濾并存儲(chǔ)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(zhuǎn)換為三個(gè)正弦 PWM 信號(hào)，每個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一個(gè)相位。

DC 元件執(zhí)行幾個(gè)關(guān)鍵角色：

• 從整流級(jí)過濾電流和電壓紋波
• 過濾整流器電壓瞬變，否則可能會(huì)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(yīng)電流
• 確保平穩(wěn)地向負(fù)載傳輸電力

雖然直流母線電路由安裝在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的整流器和逆變器級(jí)之間的電源線上的單個(gè)電容器組成，實(shí)施起來(lái)很簡(jiǎn)單，但它對(duì)電機(jī)的整體性能和效率的重要性使得選擇優(yōu)質(zhì)組件危急。

直流鏈路在具有高轉(zhuǎn)換率 (dV/dt) 和高電壓峰值的挑戰(zhàn)性條件下運(yùn)行，因此設(shè)計(jì)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(zhì)和鎳內(nèi)部電極，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗鼈儗楦邏骸⒏哳l直流鏈路應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

KC-LINK 器件的關(guān)鍵屬性是非常低的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和等效串聯(lián)電感 (ESL)。低 ESR 和 ESL 值有助于提高效率，尤其是在高壓應(yīng)用中。此外，電容器能夠在下一代電動(dòng)機(jī)應(yīng)用常見的高頻和高溫下工作。這些電容器可承受高達(dá) 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(chǎn)生的電容變化，并且符合汽車標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論

WBG 半導(dǎo)體器件（例如用于電動(dòng)機(jī)逆變器的 GaN HEMT 和用于直流鏈路的高性能電容器）的商業(yè)可用性正在滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)為高功率密度電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的可靠組件的需求。這些關(guān)鍵組件將使設(shè)計(jì)人員能夠使用緊湊、更輕、更便宜的電機(jī)來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)有產(chǎn)品，同時(shí)將電機(jī)的使用擴(kuò)展到廣泛的新應(yīng)用。此外，新一代高功率密度電機(jī)將顯著降低能源需求，為更環(huán)保的地球做出貢獻(xiàn)。

審核編輯：符乾江