【应用】ePower Stage IC EPC2152用于400W无刷直流电机，有效降低开关损耗并提高效率

时间： 2020-05-21 来源：EPC

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无刷直流电机是一种流行的选择，并在机器人、无人机、电动自行车和电动摩托车中得到越来越多的应用。所有这些应用程序对大小、重量、成本和效率特别敏感。为了满足这些需求，为电机供电的逆变器需要在更高的频率下工作，但需要额外的滤波，以防止与高频共模和感应电流相关的过度损耗、EMI和不必要的机械磨损。

GaN FET和GaN IC能够在硬开关拓扑结构中以更高的频率工作而不产生显著的损耗。今年3月EPC推出的全新单片式GaN半桥ePower Stage IC——EPC2152，能够实现1MHz的开关频率和高达15 ARMS的每相负载电流。这种微小的IC大大缩小了PCB的尺寸。由于非常高的频率降低了滤波要求，从而减小了尺寸和重量，系统尺寸进一步缩小。本文将要讨论的一个应用实例是一个装有400W BLDC电机的电动自行车，该400W的BLDC电机由EPC2152驱动。

用于无刷直流电机的高频开关驱动器

由于无刷直流（BLDC）电机的结构，大多数电机由三相逆变器（也称为电机驱动器）供电。不同的应用对电机和驱动系统提出了不同的要求；例如，无人机需要效率、速度，而且必须是轻量化的；而电动自行车则需要高效率和高扭矩能力。许多电机驱动器的工作频率为20 kHz，但最高可达60 kHz，而特定应用的选择取决于成本限制、功率损耗、噪音限制、电磁干扰规定以及电机的最大机械寿命。当仅限于使用20 kHz时，一些其他应用要求（如精度）可能难以实现，这就需要更高的开关频率。

在较高开关频率下运行的其他好处包括：

■ 由于纹波电流幅值较低，因此电机效率较高，工作温度较低，因此交流分量磁损耗较低

■ 降低滤波要求，从而减小滤波器尺寸、体积和逆变器重量

■ 在较高的电机频率下降低总谐波失真（THD），从而保持低噪音

■ 支持新型低电感电机，如无槽电机

使用GaN FET与GaN IC的逆变开关

更高的逆变器开关频率确实会带来更多工作损耗的缺点，特别是在使用MOSFET时。这在很大程度上是由于反向恢复电荷（Q_RR）和MOSFET的其他动态特性。GaN FET具有零反向恢复和低硬开关损耗，可以克服这些高频逆变器的限制，并已在多个电机驱动器中得到证明。EPC现在正将其提升到一个新的水平，它采用了单片集成的GaN半桥功率级，可以进一步减小逆变器的尺寸、重量和提高工作频率。

GaN FET的下一步发展是功率场效应晶体管（power FET）和全半桥栅极驱动器的单片集成。这有许多好处，例如：

■ 它实际上消除了共源电感（CSI），并降低了功率回路和栅极回路电感

■ 栅极驱动器与FET匹配，可设计为针对EMI、电压尖峰和效率优化开关速度，从而实现最短的实际过渡时间

■ 它改善了热功耗分布，允许优化的场效应管缩放，从而产生更高的效率。此功能对高降压比转换器更有用

■ 它提高了dv/dt抗扰度，涵盖了所有八种类型的开关节点转换事件

■ 它简化了PCB布局，减少了转换器解决方案的组件数量

硅基增强型GaN Power™ stage

下图中显示了EPC2152 GaN ePower™ IC的框图。主FET由集成电路内的栅极驱动器控制，其中包括输入缓冲器、带上电复位（POR）、欠压锁定（UVLO）功能的逻辑接口、高电压、高dv/dt能力的控制信号电平移位器和确保高压栅极驱动器适当高压侧的同步引导。

EPC2152能够与使用标准CMOS或TTL逻辑电平的数字控制器接口，使其能够直接从3.3V信号电平的数字控制器中驱动，或来自使用高达12V电压电平的模拟控制器。

图中显示了具有管脚分配的单片GaN功率器件的模具照片。它的尺寸仅3.9x2.6(mm)（10平方毫米）。两个FET的额定电压均为80 V，每个FET的典型R_DSon为10 mΩ。该集成电路可以传导高达15A的峰值电机相负载电流。

下图显示了一个无刷直流电机驱动逆变器的框图，其中包含了电动移动性理想的高性能驱动所需的所有基本元件。

每个半桥功率器件使用一个EPC2152和仅仅几个支撑电容器，如下图（a顶部）所示，如下图中放大的图像所示。电机相电流通过分路测量，电压通过高性能分路放大器放大。电压测量是使用一个简单的分压电阻网络从每相到地进行的。同样的技术也用于电源电压测量。

三相实验无刷直流电机驱动的PCB（顶部和底部）(说明：a顶，b底侧)

放大的图像

由于GaN场效应晶体管产生高dv/dt，因此包括LC滤波器。LC滤波器可以被配置为谐波滤波器或EMI滤波器，并且包括线电感和并联电容。当配置为EMI滤波器时，电阻器与电容器串联。LC 滤波器如上图所示（a顶部）。

无刷直流电动机驱动器

电机驱动设计为从15V到60V直流输入运行，并为400W无刷直流电机供电，如电动踏板车所用的电机。它可以在20kHz到1MHz的开关频率范围内工作，并在安装散热器时向电动机的各相提供15 A的峰值电流。电路板尺寸仅为45毫米x 55毫米。为了证明这种无刷直流驱动器的可实现性能，逆变器在48 V直流电源电压下运行，同时以100 kHz的频率切换为400 W电机供电，正弦调制频率为20 Hz（电机转速）。半桥的上升沿和下降沿的死区时间设置为10ns，与50ns的MOSFET相比非常短。

下图显示了电机调制频率时间标度上的测量波形。驱动器是开环操作的，因此没有控制器来补偿操作引起的失真。在实际条件下，该驱动器测得的作为单相RMS电动机电流的函数的功率损耗预计将超过98.4％。

总结

GaN FET在无刷直流电机驱动中显示出高开关频率的能力，通过为400w无刷直流电机供电，证明了具有全功能栅极驱动器的单片集成半桥FET的优越性。FET和栅极驱动器的单片集成确保了驱动器的低开关损耗和高开关频率。更高的驱动开关频率，加上简单的EMI滤波，减少了电机损耗，即使在高速下也能保持低的声音发射，并节省了大量的重量和空间。其结果是一个紧凑的驱动器解决方案，可以很容易地集成在电机外壳内，以进一步节省成本、尺寸和重量。

GaN-on-Si（硅基氮化镓）器件，如ePower Stage IC EPC2152，是朝着开发全功率片上系统迈出的重要一步。在接下来的几年里，将会有更多这样的产品被引入市场，每一个产品都会减少设计时间，同时提高系统效率和成本。分立晶体管的时代即将结束。

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