集成氮化鎵電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分析

歐洲大約一半的電力流入電力驅(qū)動(dòng)。因此，歐盟委員會(huì)和成員國(guó)政府制定了法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，使電力消耗盡可能高效，電網(wǎng)需求盡可能低也就不足為奇了。變速驅(qū)動(dòng)器（VSD）現(xiàn)已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)榕c舊的恒速感應(yīng)電機(jī)相比，它們可降低高達(dá)90%的能耗。同時(shí)，它可以減小尺寸并提高性能和可靠性。

IEC 61000等標(biāo)準(zhǔn)旨在保證電網(wǎng)穩(wěn)定性，因?yàn)樘貏e是電機(jī)等大型感性用電設(shè)備會(huì)嚴(yán)重破壞本地電網(wǎng)。為此有多種解決方案，例如功率因數(shù)校正（PFC），以優(yōu)化每個(gè)負(fù)載點(diǎn)電網(wǎng)的有功功耗。

氮化鎵改進(jìn)性能和成本

氮化鎵（GaN）是一種具有寬帶隙的半導(dǎo)體，其開關(guān)速度比硅元件快20倍，并且可以處理高達(dá)三倍的功率密度。如果在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PFC和轉(zhuǎn)換器級(jí)中使用GaN開關(guān)，則可以顯著降低功率損耗和系統(tǒng)尺寸 - 最終，轉(zhuǎn)換器甚至可以集成到電機(jī)中。

GaN FET沒有PN結(jié)，因此沒有反向恢復(fù)和相關(guān)電荷，開關(guān)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(fā)熱方面立即顯現(xiàn)出來(lái)，這可以大大減少散熱器 - 或者在低功耗驅(qū)動(dòng)器中完全省略。2021年，散熱器的鋁價(jià)每公斤上漲8美元，達(dá)到13年來(lái)未見的水平，因此更小的散熱器可以降低系統(tǒng)成本。此外，由于設(shè)備重量更小，運(yùn)輸成本也降低了。

由于沒有開關(guān)延遲且開關(guān)損耗低，氮化鎵在開關(guān)頻率中開辟了新的自由度，也為轉(zhuǎn)換器的熱設(shè)計(jì)開辟了自由度。電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)器的環(huán)境很惡劣，因?yàn)槌苏駝?dòng)和強(qiáng)磁場(chǎng)外，還可能存在較高的環(huán)境溫度，這使得冷卻開關(guān)器件變得更加困難。因此，最好首先使用產(chǎn)生盡可能低損耗的功率開關(guān)。

集成帶來(lái)進(jìn)一步的改進(jìn)

納微半導(dǎo)體的GaNSense技術(shù)將GaN開關(guān)的性能與必要的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和傳感器電路相結(jié)合（圖1）。

圖1. 納微采用氮化鎵技術(shù)的GaNFast IC提供全系列的集成、自主保護(hù)和測(cè)量電路。（圖片來(lái)源：納微半導(dǎo)體）

這使得這些組件特別適用于可靠和堅(jiān)固的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。集成和優(yōu)化的柵極控制具有自己的電壓調(diào)節(jié)器和過(guò)熱和電流保護(hù)電路，可以保護(hù)開關(guān)器件，而不會(huì)給外部微控制器帶來(lái)負(fù)擔(dān)。輸入信號(hào)是常規(guī)數(shù)字信號(hào)，避免了外部元件并減少了電路板空間，這對(duì)于所有電子元件都內(nèi)置在電機(jī)外殼中的緊湊型驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器非常重要。與通常用于硅基開關(guān)器件或其它GaN解決方案的分立保護(hù)電路相比，GaNSense可以在發(fā)生故障時(shí)在30ns內(nèi)保護(hù)開關(guān) - 即速度快幾倍 - 從而顯著提高系統(tǒng)可靠性。更多細(xì)節(jié)可以在[1]中找到。由于溫度監(jiān)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(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控。這對(duì)于無(wú)法輕松更換或維護(hù)的電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)器非常重要，尤其是在工業(yè)應(yīng)用中，并且需要最大的可靠性和可用性。過(guò)熱時(shí)的內(nèi)置關(guān)斷功能可靠地停止所有開關(guān)操作，以便在發(fā)生故障時(shí)快速做出反應(yīng)。

在采用氮化鎵的納微氮化鎵IC中，開關(guān)中的電流測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生任何損耗。這消除了大而昂貴的分流電阻器，但保護(hù)電路可以在發(fā)生過(guò)電流時(shí)快速關(guān)斷半導(dǎo)體，這是工廠自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)器所必需的。此外，所需的元件總數(shù)減少了，這不僅節(jié)省了寶貴的電路板空間，而且還降低了時(shí)間故障率（FIT）。納微最近還宣布為這些產(chǎn)品提供20年有條件保修，旨在強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的卓越可靠性。

圖2. 采用納微半導(dǎo)體新型氮化鎵半橋IC的400W電機(jī)轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)。（圖片來(lái)源：納微半導(dǎo)體）

所有這些新的半橋產(chǎn)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(guān)相同的堅(jiān)固性和可靠性，后者已經(jīng)上市多年，并享有最近宣布的20年保修期。有關(guān)模塊的更多信息，請(qǐng)參見相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)和[2]。

400W電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)

半橋GaN IC的出現(xiàn)使得實(shí)現(xiàn)緊湊型電機(jī)轉(zhuǎn)換器成為可能。功率級(jí)的三個(gè)半橋之一的接線圖如圖3所示。

圖3. 功率級(jí)的三個(gè)半橋之一的電路圖–除了GaN IC，只需要很少的組件。（圖片來(lái)源：納微半導(dǎo)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(gè)GaN開關(guān)。內(nèi)置自舉電路為上部晶體管驅(qū)動(dòng)器提供必要的電源電路。還包括一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，該電平轉(zhuǎn)換器獨(dú)立于輸出將輸入信號(hào)傳輸?shù)缴向?qū)動(dòng)器級(jí)，允許兩個(gè)輸入信號(hào)與地電位相關(guān)。這使得該模塊具有直接數(shù)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(cè)量下部GaN開關(guān)中的電流，并將其轉(zhuǎn)換為CS引腳上可用的小測(cè)量電流。此外，GaN IC的溫度被測(cè)量并饋送到比較器，以便在溫度過(guò)高時(shí)關(guān)斷。

IC 連接器包括上部氮化鎵開關(guān)的漏極（VIN，連接到 VBUS）、半橋中心（VSW，連接到 PHB）、下部氮化鎵開關(guān)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(guān)壓擺率調(diào)整（RDDL）、5V電源輸出（5VL）、兩個(gè)接地相關(guān)PWM輸入（INL、INH）、測(cè)量電流的輸出（CS）， 使能連接器用于自動(dòng)待機(jī)功能（/STBY）、上驅(qū)動(dòng)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(gè)VDDL電容（CVDDL）、連接CS和PGND之間電流檢測(cè)的電阻器（RSET）、5V電源的電容（C5VL）、用于調(diào)節(jié)VDDL和RDDL之間開關(guān)速度（RDDL）的電阻器。自動(dòng)待機(jī)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(shè)計(jì)喚醒和保持時(shí)間以及待機(jī)功耗，必須根據(jù)系統(tǒng)考慮因素仔細(xì)選擇用于VB、5VH和VDDH的上部電容器。右側(cè)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?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)專為直流輸入而設(shè)計(jì)。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(jī)連接線較長(zhǎng)而導(dǎo)致的。

需要注意的是，用戶可以使用外部電阻（本例中為R7）調(diào)整斷路器的開關(guān)速度。較慢的開關(guān)速度會(huì)增加開關(guān)損耗，但不會(huì)增加，因?yàn)檫@些損耗從一開始就非常低。這使得開關(guān)速度能夠適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，并且可以調(diào)整產(chǎn)生的排放以滿足所需的標(biāo)準(zhǔn)并減小EMI濾波器組件的尺寸。50Ω是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

可以選擇CS引腳（R8）上的電阻，以便適當(dāng)調(diào)整微控制器ADC輸入端的產(chǎn)生電壓。但是，如果該引腳上的電壓超過(guò)1.9V，則集成的過(guò)流關(guān)斷變?yōu)榧せ顮顟B(tài)。因此，重要的是要知道電阻值會(huì)影響輸出電壓和過(guò)流關(guān)斷。

自動(dòng)待機(jī)功能旨在降低NV6247在沒有開關(guān)操作時(shí)的功耗。如果在大約90μs內(nèi)未檢測(cè)到輸入邊沿，GaN IC將自動(dòng)切換到低功耗工作模式，禁用柵極驅(qū)動(dòng)器和其它電路部件，并將工作電流降至低值。當(dāng)再次施加INL脈沖時(shí)，IC將在喚醒時(shí)間（通常為450 ns）后恢復(fù)正常工作模式。

參考設(shè)計(jì)的測(cè)量結(jié)果

圖4. 逆變器的效率在寬負(fù)載范圍內(nèi)達(dá)到99%。（圖片來(lái)源：納微半導(dǎo)體）

該板在BLDC電機(jī)和機(jī)械負(fù)載下進(jìn)行了測(cè)試，工作條件如下：直流輸入電壓300V，環(huán)境溫度+25°C，用于電機(jī)控制的FOC算法，開關(guān)頻率20kHz。確定電路板對(duì)環(huán)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(jī)效率的情況下產(chǎn)生的效率，在300W功率下達(dá)到99%。

盡管逆變器的效率通常優(yōu)于電機(jī)的效率，但為了適當(dāng)設(shè)計(jì)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(tǒng)更易于熱設(shè)計(jì)，系統(tǒng)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(guān)的安裝工作。兩條曲線表明，開關(guān)速度（紅色=20V/ns，藍(lán)色= 40V/ns）對(duì)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(huán)境溫度下，IC封裝的溫度幾乎無(wú)法達(dá)到+60°C。（圖片來(lái)源：納微半導(dǎo)體）

圖5顯示，在300W輸出功率和+25°C環(huán)境溫度下，IC封裝的溫度幾乎無(wú)法達(dá)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(huán)境溫度以及最大允許電路板溫度（通常為+105°C）決定。GaN開關(guān)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(shù)具有非常高的可靠性，并且對(duì)短路或轉(zhuǎn)子堵塞等異常工作條件具有魯棒性。在這兩種故障中，開關(guān)器件的溫度都會(huì)迅速飆升。

結(jié)論

每個(gè)電機(jī)都有不同的要求，但重要的趨勢(shì)都朝著同一個(gè)方向發(fā)展：提高效率、更好的性能、更低的系統(tǒng)成本。納微的GaNSense半橋IC旨在滿足這些趨勢(shì)，降低功耗，同時(shí)降低總體成本。它們?cè)诳刂?、保護(hù)和傳感器技術(shù)方面具有高集成密度，使電機(jī)集成轉(zhuǎn)換器具有高性能和可靠性。