歐盟大約有 80 億臺電動機在使用，消耗了歐盟生產(chǎn)的近 50% 的電力。1由于提高效率和減少碳足跡是政府和行業(yè)的主要目標，因此存在多項舉措來降低這些電機的耗電量。例如，許多家用電器能源標簽的全球標準通過降低能耗以及可聽和電氣噪聲等來影響電器的設(shè)計。2另一個例子是歐洲引入了工業(yè)電機的效率等級，有效地切斷了低效率電機的市場。3,4因此，我們看到了感應(yīng)電機的興起，例如無刷直流 (BLDC) 電機，它們在相同的機械功率下體積更小、效率更高。5,6這些效率更高、性能更高的電機需要更復(fù)雜的電子設(shè)備才能運行。用于變速驅(qū)動器 (VSD) 或變頻驅(qū)動器的脈寬調(diào)制技術(shù)通過整流交流電源為電機創(chuàng)建脈沖三相電壓。這會提高性能，可以控制速度和扭矩，并對系統(tǒng)的機械設(shè)計產(chǎn)生積極影響。在高壓電網(wǎng)側(cè)實施有源功率因數(shù)校正（PFC），提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，這正在成為政府制定的更嚴格的法規(guī)（例如，行業(yè)標準IEC61000）。

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由無橋圖騰柱 PFC、控制器和三相逆變器級組成的典型變速驅(qū)動器

硅 IGBT 很慢

幾十年來，VSD 一直使用 IGBT 作為其主要功率開關(guān)。這些傳統(tǒng)的硅晶體管堅固耐用且具有成本效益，但開關(guān)速度較慢且損耗相對較高，因此還有改進的空間。對于許多消費類應(yīng)用，尤其是那些預(yù)期在室內(nèi)運行的應(yīng)用，需要高于 16 kHz 的開關(guān)頻率來降低可聽噪聲。由于其緩慢的反向恢復(fù)特性，這些更高的頻率對 IGBT 具有挑戰(zhàn)性，從而導(dǎo)致高開關(guān)損耗。硅 MOSFET 也已用于 VSD，但實現(xiàn)的功率密度低于 IGBT，盡管在滿載條件下開關(guān)損耗可以更低。MOSFET 的內(nèi)部體二極管恢復(fù)損耗也很差，這會增加總損耗。即使是專門設(shè)計的帶有快速恢復(fù)二極管的 MOSFET，通常也比 IGBT 產(chǎn)品中的快速恢復(fù)二極管更慢、更靈敏。在輕負載運行中，由于其線性電流-電壓關(guān)系，MOSFET 確實顯示出優(yōu)于 IGBT 的優(yōu)勢。

GaN 在電機驅(qū)動中的優(yōu)勢

通過在功率級中使用氮化鎵，可以在逆變器和電機以及整個系統(tǒng)中實現(xiàn)效率的下一個重要步驟。基于 GaN 的器件更接近理想開關(guān)，提供顯著降低的開關(guān)損耗并帶來許多不同的好處。

在大多數(shù)情況下，VSD 的效率相對較高，通常為 95% 到 97%，這比電機或被驅(qū)動的機械過程要高得多。老式電機的效率為 60%，而更現(xiàn)代的 BLDC 電機的工作效率為 80% 或更高。由于開關(guān)損耗非常低，這些效率更高的 VSD 系統(tǒng)可提供更好的電氣效率，從而降低系統(tǒng)成本，因為可以顯著減少甚至去除從電源開關(guān)中散熱所需的散熱器。在 VSD 的典型硬開關(guān)半橋中，具有零反向恢復(fù)損耗的 GaN IC 的較低開關(guān)損耗可以比 IGBT 或 MOSFET 低 4 到 5 倍，從而將總功率損耗降低50%。在低功率應(yīng)用中，這甚至可能意味著完全移除散熱器。散熱器級機加工鋁的價格為每公斤 6 至 8 美元——并在 2021 年達到 13 年來的最高水平——這對系統(tǒng)的成本影響很大。此外，減輕重量可降低運輸成本，進一步降低總擁有成本。

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Navitas GaNFast IC 在所有開關(guān)頻率上都表現(xiàn)出較低的損耗，但隨著開關(guān)頻率的增加而顯著降低。（來源：納微半導(dǎo)體，計算）

硅 IGBT 和 MOSFET 表現(xiàn)出一種稱為反向恢復(fù)的現(xiàn)象，即它們的 pn 結(jié)在導(dǎo)通狀態(tài)下充滿電，而在關(guān)斷狀態(tài)下被掃出。恢復(fù)時間、恢復(fù)電荷和恢復(fù)電流都會影響反向恢復(fù)特性和開關(guān)損耗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)在開關(guān)狀態(tài)下出現(xiàn)不受控制的振鈴和電壓過沖和下沖。這同樣適用于級聯(lián) GaN 器件，因為附加的硅 MOSFET 與常開 GaN FET 相結(jié)合。

Navitas GaNFast IC 將驅(qū)動器與增強型 FET 集成在一起，其中二維電子氣密度產(chǎn)生電子遷移率。由于沒有有源 pn 結(jié)，因此不存在固有的體二極管，從而導(dǎo)致器件中沒有反向恢復(fù)電荷。這顯著降低了開關(guān)損耗，并在開關(guān)事件期間提供更平滑的電壓波形，同時具有最小的振鈴，從而提高性能和系統(tǒng)可靠性并降低系統(tǒng)成本。

由于沒有恢復(fù)電荷，GaNFast IC 成為硬開關(guān)設(shè)計的理想選擇，例如半橋拓撲，其中在高側(cè)和低側(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)換期間發(fā)生最低開關(guān)損耗。兩個開關(guān)之間所需的死區(qū)時間可以顯著縮短，從大約 2,000 ns 降至 50 ns。對于電機驅(qū)動應(yīng)用，這會顯著降低轉(zhuǎn)矩脈動和可聽噪聲，從而提高系統(tǒng)的使用壽命。7

自主、可靠的電源：GaNFAST 與 GanSENSE

硅和碳化硅中的 IGBT 和 MOSFET 以類似方式驅(qū)動。該器件在 10-20 V 的柵極驅(qū)動下開啟，通常關(guān)閉至 0 V 或負電壓以實現(xiàn)更高的功率水平。分立增強型 GaN 器件通常需要 5-7 V 的柵極驅(qū)動，并且可能還需要負電壓來關(guān)閉它們。如果沒有正確優(yōu)化，性能和可靠性都會受到影響。這是因為，雖然 GaN 是一種先進材料，但分立 GaN FET 確實有一個致命弱點：一個必須小心驅(qū)動的柵極節(jié)點。如果柵極上的電壓過低，則 FET 沒有完全導(dǎo)通，因此導(dǎo)通電阻和損耗都很高。如果電壓太高，可能會損壞柵極。

為了解決這個問題，GaNFast 功率 IC 將 GaN 功率 (FET) 和 GaN 驅(qū)動以及控制和保護集成在一個表面貼裝封裝中。結(jié)果是可靠、易于使用、高速、高性能、“數(shù)字輸入、電源輸出”的構(gòu)建塊。自 2018 年初獲得認證以來，GaNFast IC 已成為行業(yè)領(lǐng)先的快速和超快速移動充電器解決方案，客戶包括三星、戴爾、聯(lián)想和 LG。截至 2022 年 3 月，已出貨超過 4000 萬臺，與 GaN 相關(guān)的現(xiàn)場故障報告為零。

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Navitas 的完全集成 GaNFast 與 GaNSense IC 的簡化框圖結(jié)合了控制、驅(qū)動、傳感和保護功能。8,9

結(jié)果是優(yōu)化和可重復(fù)的逆變器性能，實現(xiàn)了出色的可靠性。電源開關(guān)可以通過簡單的數(shù)字信號進行控制，去除大量外部元件，并提高尺寸和元件數(shù)量，甚至超越硅解決方案。8這對于緊湊型電機驅(qū)動器來說是個好消息，其中 VSD 的尺寸現(xiàn)在可以變得如此之小，以至于它可以很容易地裝入電機外殼中。

2021 年，采用 GaNSense 技術(shù)的新型 GaNFast 功率 IC 引入了系統(tǒng)感應(yīng)功能，例如過熱和過流檢測，以及自主自我保護能力。與分立硅或分立 GaN 方法相比，GaNSense 技術(shù)僅能在 30 ns 內(nèi)“檢測和保護”——比硅或 GaN 分立器件快 6 倍——提高了系統(tǒng)級可靠性。

無損電流檢測可以去除大而昂貴的分流電阻器，進一步減小系統(tǒng)尺寸和成本，同時保持快速過流保護以提高系統(tǒng)穩(wěn)健性。這在用于工廠自動化的工業(yè)電機驅(qū)動中非常重要，并有助于設(shè)計人員在其產(chǎn)品中實施功能安全概念。9

過溫保護電路可以對封裝中的電源開關(guān)進行溫度測量，而散熱器上的溫度傳感器的精度要低得多。這對于許多工業(yè)和消費電機驅(qū)動應(yīng)用很重要，在這些應(yīng)用中，冷卻系統(tǒng)可以通過液體流速或冷卻風(fēng)扇進行調(diào)整。內(nèi)置的過溫保護電路會在溫度過高的情況下關(guān)閉 GaN IC，從而保護系統(tǒng)。8

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表 1：GaNSense 的主要特性在電機驅(qū)動應(yīng)用的性能、效率和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢。

電機逆變器已經(jīng)以多種不同的方式實現(xiàn)，主要使用 IGBT 的低成本和電流處理能力。表 2 比較了當今可用的方法（以分立 IGBT 作為基準）：

智能電源模塊將一個柵極驅(qū)動器與六個電源開關(guān)組合在一個封裝中，從而節(jié)省系統(tǒng)尺寸和組件數(shù)量，同時減少設(shè)計工作。

硅 MOSFET，尤其是超結(jié) MOSFET，已在電機驅(qū)動中得到越來越多的使用，從而提高了輕負載效率。使用 SiC MOSFET 可以在全負載范圍內(nèi)獲得更好的效率，但會縮短短路耐受時間。

分立的 GaN FET 有助于進一步降低功耗，但設(shè)計人員需要實現(xiàn)復(fù)雜的柵極驅(qū)動電路。GaN 級聯(lián)組件可以提供標準柵極驅(qū)動，但代價是更高的功率損耗和成本。

具有 GaNSense 的 GaNFast IC 可實現(xiàn) GaN FET 的固有效率，而無需處理復(fù)雜的柵極驅(qū)動電路。無損電流感應(yīng)消除了分流電阻器并提高了效率、空間和成本，而集成保護電路可實現(xiàn)穩(wěn)健的逆變器解決方案，只需很少的設(shè)計工作。

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表 2：具有 GaNSense 的 GaNFast IC 將柵極驅(qū)動復(fù)雜性和自主保護與無損電流感應(yīng)相結(jié)合，提供緊湊、易于設(shè)計、穩(wěn)健的系統(tǒng)。

摘要：集成驅(qū)動性能

并非每個電機驅(qū)動器都是相同的，消費和工業(yè)應(yīng)用的趨勢集中在提高能效、性能、系統(tǒng)成本、總擁有成本以及減小尺寸和重量上。這對世界各地的設(shè)計團隊來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，他們面臨著減少設(shè)計時間和上市時間同時改善最終客戶體驗的壓力。下一代電機驅(qū)動系統(tǒng)將利用 GaN FET 性能和先進的傳感技術(shù)，提供必要的穩(wěn)健性和保護，讓您高枕無憂。

參考

1歐盟委員會。“電動機和變速驅(qū)動器。”

2酷產(chǎn)品。“洗衣機。”

3 IEC 標準 60034（工業(yè)電機效率等級）。

4 EUR-Lex。委員會條例 (EU) 2019/1781。

5智能水雜志。（2019）。“格蘭富的智能水解決方案部署在阿聯(lián)酋的 7,000 多座別墅中。”

6 LG電子。“LG AI DD。”

7美國專利 8390241（基于 III 氮化物設(shè)備的電機驅(qū)動）

8納微半導(dǎo)體。“適用于電動汽車、太陽能和工業(yè)的GaNFast電源IC解決方案。” Bodo 的寬帶隙事件，2021 年 12 月。

9納微半導(dǎo)體。“GaNFast 架構(gòu)，大功率系統(tǒng)中的性能。” Bodo 的寬帶隙事件，2021 年 12 月。

10納微半導(dǎo)體。（2021 年）。應(yīng)用筆記 AN-015。

11 IEC 標準 60730（消費者應(yīng)用中的功能安全）和 68100（工業(yè)裝置中的功能安全）。

——Alfred Hesener 是 Navitas Semiconductor 工業(yè)和消費部門的高級總監(jiān)

審核編輯 黃昊宇