氮化鎵晶體管簡(jiǎn)化大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器設(shè)計(jì)

叉車(chē)應(yīng)用的逆變器由 24 V 至 120 V 之間的直流電壓供電，可提供高達(dá) 900 ARMS 電機(jī)相電流。通常，每個(gè)生產(chǎn)商都有一個(gè)平臺(tái)方法，并銷(xiāo)售按電壓范圍劃分的產(chǎn)品系列，其中逆變器的大小取決于在瞬態(tài)期間（例如，2分鐘）可以實(shí)現(xiàn)的最大電流。

這些應(yīng)用的典型逆變器包含在IP65等級(jí)的外殼（例如：150 mm x 120 mm x 60 mm）中，并帶有厚鋁底板。在外殼內(nèi)部，功率晶體管通過(guò)熱和機(jī)械連接到鋁基板的絕緣金屬基板 （IMS） 板上。IMS板上方是一個(gè)超高密度PCB，帶有柵極驅(qū)動(dòng)器、模擬信號(hào)調(diào)理、電源和至少兩個(gè)微處理器，一個(gè)專(zhuān)用于功能，另一個(gè)專(zhuān)用于安全。需要一定數(shù)量的并聯(lián)晶體管來(lái)處理電流和導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)耗散產(chǎn)生的熱量。

目前，硅MOS技術(shù)主導(dǎo)著市場(chǎng)，對(duì)可并行使用的最大器件數(shù)量、最大PWM開(kāi)關(guān)頻率和互補(bǔ)開(kāi)關(guān)之間的死區(qū)時(shí)間施加了限制。第一個(gè)約束限制了最大電流，而另外兩個(gè)約束降低了電機(jī)效率。借助GaN技術(shù)，這種情況正在不斷發(fā)展。

氮化鎵優(yōu)勢(shì)

半導(dǎo)體材料中的臨界場(chǎng)決定了器件的擊穿電壓。對(duì)于給定的擊穿電壓，電場(chǎng)越高，漂移區(qū)域的寬度越短。在GaN晶體管中，臨界場(chǎng)比硅高一個(gè)數(shù)量級(jí)，二維電子氣體（2DEG）產(chǎn)生的電子遷移率使得導(dǎo)通電阻低，同時(shí)保持其尺寸小。

氮化鎵技術(shù)是平面的;對(duì)于給定的導(dǎo)通電阻，這些器件的電容比硅器件低約一個(gè)數(shù)量級(jí)。更小的尺寸和電容允許在同一基板上并聯(lián)更多器件以處理更多電流。此外，較小的電容有助于提高PWM頻率并減少死區(qū)時(shí)間，從而提高電機(jī)效率。

簡(jiǎn)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中氮化鎵晶體管的布局

氮化鎵晶體管的開(kāi)關(guān)速度比等效的硅MOSFET快。但是，權(quán)力越大，責(zé)任越大：布局必須精心設(shè)計(jì)。漏源電源環(huán)路電路和柵源環(huán)路電路對(duì)寄生電感很敏感。這對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率必須在200 kHz以上的功率轉(zhuǎn)換器中非常重要。電機(jī)驅(qū)動(dòng)GaN逆變器的開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)100 kHz，開(kāi)關(guān)dv/dt設(shè)置為小于10 V/ns，以兼容電機(jī)繞組絕緣高頻擊穿要求。雖然大多數(shù)布局考慮因素仍然成立，但其他考慮因素可以在不影響最終結(jié)果的情況下放寬。

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管基本布局指南

在不影響模塊化的情況下，降低寄生電感并遵循對(duì)稱(chēng)方法至關(guān)重要。三種類(lèi)型的寄生電感會(huì)對(duì)逆變器運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，如圖1所示：

1. 共源寄生電感（CSI）（圖1綠色框）：GaNFET柵極信號(hào)的返回路徑必須與源極焊盤(pán)中的高電流路徑分開(kāi)。這種寄生電感對(duì)轉(zhuǎn)換器工作有最大的不利影響，也是設(shè)計(jì)評(píng)審中最常見(jiàn)的錯(cuò)誤。EPC GaN FET 沒(méi)有專(zhuān)用的開(kāi)爾文柵極回路連接，因此必須在 PCB 布局中進(jìn)行此連接 [1]。
2. 電源回路寄生電感（L 圈 ）（圖1棕色框）：包含DC+和GND的高頻電流環(huán)路必須具有低電感以減少振鈴，這會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗和相關(guān)的EMI產(chǎn)生。GND平面的內(nèi)部垂直布局已被證明會(huì)產(chǎn)生最低的電感布局[3]。
3. 柵極環(huán)路寄生電感（L 門(mén) ）（圖 1 洋紅色盒）：GaN FET 柵極的推薦電壓額定值和最大額定電壓比硅 MOSFET 更嚴(yán)格;因此，必須特別注意柵極信號(hào)路徑，該路徑必須始終與柵極回路配對(duì)。這是設(shè)計(jì)評(píng)審中遇到的第二個(gè)最常見(jiàn)的錯(cuò)誤。并聯(lián)FET時(shí)，所有柵極路徑應(yīng)具有相同的阻抗（即相同的長(zhǎng)度），以匹配每個(gè)柵極的電壓幅度和傳播。

* 圖1. 寄生電感：（1） CSI，（2） 電源環(huán)路，（3） 柵極環(huán)路。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖2. 并聯(lián) a） 晶體管與 b） 半橋。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

這些規(guī)則的一個(gè)結(jié)果是，對(duì)于高頻GaN轉(zhuǎn)換器，通常并聯(lián)半橋而不是并聯(lián)晶體管。示例如圖 2 所示。但是，EPC9186參考設(shè)計(jì)采用并演示了一種更簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)?a target="_blank">電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)速度比高頻轉(zhuǎn)換器慢。

EPC9186布局方法

EPC發(fā)布了幾款使用GaN FET和GaN集成電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器參考設(shè)計(jì)板。所有參考設(shè)計(jì)板共享相同的框圖和控制器連接器，以幫助設(shè)計(jì)人員在逆變器系列的設(shè)計(jì)階段擴(kuò)大電流和電壓。

新EPC9186尺寸為10 cm x 13.5 cm，是額定電壓為100 V和150 ARMS穩(wěn)態(tài)相電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的功率部分。它包括一個(gè) 10 層 2 oz FR4 PCB 和輔助電源，可從直流母線(xiàn)、相電壓、電流檢測(cè)電路和過(guò)流保護(hù)比較器產(chǎn)生 5 V 和 3.3 V。EPC9186電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器可與EPC9147x控制器配對(duì)，允許設(shè)計(jì)人員使用他們喜歡的運(yùn)動(dòng)控制器。

EPC9186開(kāi)關(guān)電池有四個(gè)并聯(lián)的EPC2302晶體管，采用簡(jiǎn)化的布局放置，放寬了并聯(lián)GaN FET設(shè)計(jì)規(guī)則。柵極驅(qū)動(dòng)器位于開(kāi)關(guān)單元的左側(cè);低側(cè)和高側(cè)GaN FET排成兩排，朝向相位輸出連接器。

圖3顯示了EPC9186板和開(kāi)關(guān)單元的細(xì)節(jié)，其中L1和H1是最接近柵極驅(qū)動(dòng)器的低側(cè)和高邊晶體管，L4和H4是離柵極驅(qū)動(dòng)器最遠(yuǎn)的晶體管。電機(jī)相位輸出連接器如圖所示。

圖3.EPC9186 100 V， 150 A有效值每相電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。切換右側(cè)的單元格詳細(xì)信息。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

此布局部分遵循上一節(jié)中給出的內(nèi)部垂直布局規(guī)則 b）;也就是說(shuō)，第一內(nèi)層是GND連接，以最小化電源環(huán)路電感，但是，由于開(kāi)關(guān)DV / DT較低，開(kāi)關(guān)單元沒(méi)有高頻電容器。EPC9186中沒(méi)有嚴(yán)格遵循所有柵極信號(hào)具有相同長(zhǎng)度的通用準(zhǔn)則，因?yàn)闁艠O路徑長(zhǎng)度隨著與柵極驅(qū)動(dòng)器的距離而增加。柵極信號(hào)封裝在相應(yīng)柵極信號(hào)回路的兩層內(nèi)，用作屏蔽。這兩層連接到每個(gè)晶體管的單個(gè)開(kāi)爾文點(diǎn)，以降低共源電感。

EPC9186實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)電芯功率部分布局方法不會(huì)損害逆變器性能。圖4顯示了所有晶體管中的干凈柵極信號(hào)，與柵極驅(qū)動(dòng)器的距離無(wú)關(guān)。圖5顯示了穩(wěn)態(tài)相電流能力與可接受的溫升的函數(shù)關(guān)系。穩(wěn)態(tài)電流取決于熱條件，電路板使用由400 LFM氣流冷卻的散熱器進(jìn)行測(cè)試。

* 圖4. 在+100 A和?80 A電機(jī)相電流下，柵極信號(hào)為H1-L1與H4-L4。時(shí)間 50 納秒/格圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖5. EPC9186電流與溫度和頻率的關(guān)系。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

結(jié)論

EPC GaN FET 器件比硅 MOSFET 小，并且對(duì)外殼的熱阻較低，允許雙面冷卻。它們?cè)试S并聯(lián)更多設(shè)備，可以在相同的逆變器外殼體積內(nèi)傳導(dǎo)更多電流，同時(shí)表現(xiàn)出卓越的熱管理。這有利于電池供電的工業(yè)車(chē)輛，如叉車(chē)、手動(dòng)搬運(yùn)機(jī)或倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)車(chē)輛，這些車(chē)輛需要更小體積的更高電流。