叉車應(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)專用于功能,另一個(gè)專用于安全。需要一定數(shù)量的并聯(lián)晶體管來處理電流和導(dǎo)通和開關(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開關(guān)頻率和互補(bǔ)開關(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逆變器的開關(guān)頻率高達(dá)100 kHz,開關(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)稱方法至關(guān)重要。三種類型的寄生電感會(huì)對(duì)逆變器運(yùn)行產(chǎn)生不利影響,如圖1所示:
- 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中的高電流路徑分開。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)審中最常見的錯(cuò)誤。EPC GaN FET 沒有專用的開爾文柵極回路連接,因此必須在 PCB 布局中進(jìn)行此連接 [1]。
- 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]。 - 柵極環(huán)路寄生電感(L
門)(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、相電壓、電流檢測(cè)電路和過流保護(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,第一內(nèi)層是GND連接,以最小化電源環(huán)路電感,但是,由于開關(guān)DV / DT較低,開關(guān)單元沒有高頻電容器。EPC9186中沒有嚴(yán)格遵循所有柵極信號(hào)具有相同長度的通用準(zhǔn)則,因?yàn)闁艠O路徑長度隨著與柵極驅(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)車輛,如叉車、手動(dòng)搬運(yùn)機(jī)或倉庫自動(dòng)車輛,這些車輛需要更小體積的更高電流。
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