電機(jī)驅(qū)動(dòng)中氮化鎵技術(shù)的應(yīng)用前景

隨著工業(yè)、辦公設(shè)備和家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器越來越多地用于從工業(yè)機(jī)械臂控制到消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)的家用洗衣機(jī)等各種應(yīng)用場(chǎng)景。人類應(yīng)用電機(jī)已經(jīng)有一個(gè)多世紀(jì)，但是面對(duì)未來應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)運(yùn)動(dòng)控制更高的靈活性要求，我們需要更加“智能”的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制以實(shí)現(xiàn)更好的功能和節(jié)能效果。面對(duì)工業(yè)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景，電機(jī)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)需要面向小型化，輕量化以及高運(yùn)行效率。同時(shí)，面對(duì)消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，電機(jī)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)需要保持低成本。

通過采用電子馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器或“電壓源逆變器”可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的增強(qiáng)型控制，此類驅(qū)動(dòng)器通常會(huì)產(chǎn)生可變頻率和幅值的三相交流電來控制馬達(dá)的速度、扭矩和方向。驅(qū)動(dòng)器采用開關(guān)電源技術(shù)，通常在16kHz左右運(yùn)行，并通過脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)輸出控制。數(shù)十年來，諸如硅MOSFET之類的半導(dǎo)體器件的開關(guān)速度已經(jīng)提升到一個(gè)更高數(shù)量級(jí)。但在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器中，更高的開關(guān)頻率帶來的磁性元件體積減小的優(yōu)勢(shì)并不明顯。電機(jī)設(shè)計(jì)中， 磁性元件本身就是電機(jī)本體，其尺寸需根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合而定。因此，為了使開關(guān)損耗最小，保持較低的開關(guān)頻率則是明智的選擇。同時(shí)，MOSFET之類的高頻器件所具有的高速開關(guān)特性實(shí)際上也存在其自身的問題。較高“ dV/dt”會(huì)帶來馬達(dá)繞組間較大的絕緣應(yīng)力以及電壓過沖或諧振，從而導(dǎo)致?lián)舸┖汀熬植糠烹姟崩匣蕊L(fēng)險(xiǎn)。此外，其產(chǎn)生的跟高的電磁干擾（EMI），需要安裝額外的濾波器，同時(shí)共模EMI電流會(huì)通過馬達(dá)軸承傳到至地面，從而在軸承座圈中產(chǎn)生顫動(dòng)形式的機(jī)械磨損。

集成功率模塊

盡管缺乏高頻開關(guān)的優(yōu)勢(shì)，IGBT仍被普遍使用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)更高的驅(qū)動(dòng)效率。硅基MOSFET也同樣在應(yīng)用中減慢柵極驅(qū)動(dòng)速度以用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過加入緩沖電路和在三相驅(qū)動(dòng)輸出中采用外部串聯(lián)和共模濾波器來降低開關(guān)速率，但所有這些都會(huì)在一定程度上影響效率。在中小功率下，MOSFET具有更低的開關(guān)及導(dǎo)通損耗。兩種類型器件都有相關(guān)集成“智能電源模塊（IPM）”產(chǎn)品提供，它們集成有所需的六個(gè)開關(guān)，柵極驅(qū)動(dòng)器以及保護(hù)功能。

采用氮化鎵技術(shù)的寬帶隙功率器件

集成硅器件的智能電源模塊可以實(shí)現(xiàn)高效率驅(qū)動(dòng)，但同時(shí)由于其半導(dǎo)體材料限制難以進(jìn)一步提高。更高的效率不僅可以節(jié)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(shù)革新可以不再需要安裝散熱風(fēng)扇，或者允許在機(jī)械臂中將驅(qū)動(dòng)直接集成到電機(jī)旁邊，而不是放置在遠(yuǎn)程機(jī)柜中，其帶來的優(yōu)勢(shì)顯而易見。目前，可以通過氮化鎵技術(shù)（GaN）制造高電子遷移率晶體管（HEMT）應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)。英飛凌提供的這種寬帶隙技術(shù)比其他同類硅MOSFET具有更低的導(dǎo)通損耗，而這是實(shí)現(xiàn)上述集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)關(guān)鍵，其帶來的電機(jī)驅(qū)動(dòng)整體的體積及效率優(yōu)化遠(yuǎn)超單一氮化鎵晶體管的相對(duì)價(jià)格劣勢(shì)。

控制dV/dt是關(guān)鍵

CoolGaN?等GaN開關(guān)速度非?？?，能夠達(dá)到數(shù)百kV/μs的開關(guān)速率（edge rate），這對(duì)于工作在1MHz或更高頻率下的微型AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換器是一個(gè)重要屬性。然而，在低頻馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器中，與較早技術(shù)中本已很小的開關(guān)損耗相比，沒有辦法帶來明顯的效率優(yōu)化，但EMI、諧振、故障和軸承磨損等問題在高開關(guān)速率下卻更加嚴(yán)重。因此，必須將開關(guān)速率控制在更適當(dāng)水平。如果需要同時(shí)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(shí)可以考慮采用減慢開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方案。典型的方法是增加串聯(lián)柵極電阻，和柵極電容形成R-C濾波器，從而減慢開關(guān)速度，通常兩個(gè)電阻與二極管控制一起使用，以獨(dú)立控制導(dǎo)通和關(guān)斷過程。這種方法在硅器件中很常見，但對(duì)于GaN器件卻存在一個(gè)問題，在不同工作條件下，柵極電容會(huì)在30dB范圍內(nèi)變化，而對(duì)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(nèi)變化，才能控制開關(guān)速率dV/dt在期望范圍內(nèi)。為了保證電機(jī)運(yùn)行可靠性，開關(guān)速率應(yīng)不超過約5kV/μs（5V/ns）。因此，如果電阻器將此設(shè)置為最壞的情況，在其他條件下，開關(guān)速率將慢得多，有可能對(duì)運(yùn)行效率造成很大影響（見圖1）。

圖1：添加一個(gè)簡(jiǎn)單的柵極電阻會(huì)導(dǎo)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(yīng)，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(yōu)化開關(guān)速率的有效解決方案是通過電容采樣漏極電壓，該電容會(huì)產(chǎn)生與dV/dt成比例的電流，然后可以將其饋送到柵極驅(qū)動(dòng)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(guān)速率。但是，由于增加了一個(gè)高壓電容器，作為一個(gè)分立元件，該電容器不容易集成到智能功率模塊中，因此實(shí)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(huì)隨之增加。此外，電容器連接中的寄生電感可能會(huì)導(dǎo)致持續(xù)的振蕩和設(shè)備故障。

該電容器可作為GaN晶片的一部分進(jìn)行制造，并通過引線接合進(jìn)行連接，但是Infineon工程師意識(shí)到，在GaN晶片中從漏極到柵極簡(jiǎn)單地集成一個(gè)很小的電容器會(huì)對(duì)整體電容產(chǎn)生顯著的“線性化”影響。所選取的電容值很小，約為1.2 pF，會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有值兩倍左右總柵極電荷值。驅(qū)動(dòng)損耗會(huì)增加，但是在16kHz開關(guān)頻率下大約為50μW，因而可忽略不計(jì)。圖2顯示了這種效果，其中開關(guān)速率精確地限制在5V/ns左右，在較輕負(fù)載下dV/dt自然會(huì)回落到較低值。

圖2：在包括GaN線性化電容在內(nèi)的所有條件下，邊沿速率均受到限制

技術(shù)進(jìn)步使英飛凌科技能夠設(shè)計(jì)高效智能功率模塊，其效率比同等應(yīng)用中的Si-MOSFET器件高出很多，同時(shí)將開關(guān)速率控制在可接受水平。表1中兩種技術(shù)的比較表明，在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，表1 比較了硅基和氮化鎵IPM的三種驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通電阻。氮化鎵IPM的優(yōu)勢(shì)也體現(xiàn)在從有散熱器設(shè)計(jì)面向無散熱器設(shè)計(jì)，以及在相同體積的驅(qū)動(dòng)電路下驅(qū)動(dòng)更大功率的電機(jī)。在兩種情況下都可以節(jié)省系統(tǒng)成本。

表1：MOSFET和GaN開關(guān)技術(shù)的智能功率模塊功能比較

結(jié)論

采用集成線性化電容器方案的氮化鎵IPM，與硅技術(shù)相比，在用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用時(shí)的功率損耗顯著降低，同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)影響可靠性和EMI兼容性的高開關(guān)速率問題?，F(xiàn)在，英飛凌科技的GaN器件已被證明具有良好的特性，足以應(yīng)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的應(yīng)力和短路等問題。

GaN器件不再是單純的新奇產(chǎn)品，它們的價(jià)值已經(jīng)在直流輸出功率轉(zhuǎn)換器中得到體現(xiàn)，現(xiàn)在已證明它們也有潛力降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)成本，這提供了新的GaN器件應(yīng)用市場(chǎng)。

文章來源：ednchina AC-DC應(yīng)用資深首席工程師，英飛凌科技

編輯：ymf