【应用】基于单片GaN ePower™stage EPC2152x设计紧凑型低压BLDC电机驱动逆变器
无刷直流（BLDC）电机广受大众欢迎，在机器人技术，电动汽车和无人机等领域的应用日益广泛。这些应用具有特殊需求，比如要求器件重量轻，尺寸小，转矩脉动低和控制精度高。为了满足这些需求，为电动机供电的逆变器就需要以更高的频率运行，从而同时就需要更先进的技术来减少高频运行所产生的更高功耗。GaN FET和IC能够在硬开关电路拓扑中以更高的频率工作，而功耗很小。本文介绍了采用EPC单片GaN半桥ePower™Stage IC的高频紧凑型BLDC电机驱动逆变器设计。每相能够进行高达3 MHz的开关频率和10 A(RMS)的负载电流。
GaN FET接下来的发展方向是单片集成。单片集成的功率级不仅显著降低了会影响开关性能的公共源极电感（CSI），功率和栅极环路电感，而且使IC内的功耗分布均匀。此外，它还减少了所用元件的数量并简化了PCB布局。
图1展示了EPC2152x GaN ePower™Stage的框图，该产品集成了两个70V，10mΩ的主FET和一个用来驱动FET的优化过的独立半桥栅极驱动器。它包括输入缓冲器，具有上电复位（POR）的逻辑接口，欠压锁定（UVLO）功能，具有高电压，高dv/dt功能的控制信号电平转换器，以及一个同步自举电路，可确保为高电平栅极驱动器提供合适电源电压。EPC2152x与CMOS和TTL逻辑电平兼容。图2展示了带有引脚配置的EPC2152x单片GaN power stage的照片。它的尺寸仅为3.9x2.6mm，可承载高达15A的电流。
图1 EPC2152x GaN ePower™Stage框图
图2 EPC2152x GaN ePower™Stage示意图
<基于EPC21521设计BLDC电机驱动逆变器>
实用的高性能电动机驱动器至少需要以下功能要素：
•三相半桥功率级
•至少两相的电压和电流感应
•驱动器直流电源的电压和电流检测
•各种控制和辅助电路的辅助电源
•半桥的高dv / dt输出与电机连接之间的谐波滤波器
•具有足够处理性能的控制器，可以操作电机控制功能
•保护功能，例如过热和过电流监控。
基于EPC21521 ePower Stage设计了60V三相BLDC电机驱动逆变器。图3为其框图，并列出了所有的组成要素。每相都使用一个EPC21521 ePower stage，仅需要几个支撑电容器。由于GaN FET产生的高dv / dt，从而包括一个可调LC滤波器，该滤波器包括一个线路电感和一个并联电容。它可以配置为谐波滤波器或EMI滤波器。当配置为EMI滤波器时，电阻与电容串联放置。辅助电源为栅极驱动和控制级生成两个电平，分别为12V和3.3V。控制器读取感测到的电动机驱动器的相电流和电压，电源电压和温度，并将PWM控制信号发送回功率级输入。
图3 基于EPC21521 ePower stage设计的60V三相BLDC电机驱动逆变器框图
图4展示了BLDC电机驱动逆变器。设计中还包括用于固定散热器的螺纹安装柱，以增加功率吞吐量。该驱动器设计为在15V~60V DC输入下运行，并为400W NEMA 34式BLDC电机供电。它可以在20 kHz至1 MHz的开关频率范围内工作，并在安装散热器的情况下向电动机的各相提供15A的峰值电流。电路板尺寸仅为45x55mm。
图4 三相BLDC电动机驱动器的实验照片，（a）顶面，（b）底面
<性能测试>
电机驱动的逆变器在48V DC电源电压下运行，同时以100 kHz的开关频率为正弦调制频率为20 Hz的400 W NEMA 34电机供电。半桥的死区时间在上升沿和下降沿均设置为10ns，与以50ns开始的MOSFET相比，该死区时间非常短。
图5显示了当电动机驱动器每相向电动机输送10 ARMS时，在一个相脚的调制频率时间标度中测得的开关节点电压（VSwN）和相电流（I相）。这是在没有可选的L-C输出滤波器的情况下捕获的。图6显示了在开关频率时标下在正相和负相电流下测得的开关节点电压，可看出它没有过多的振铃和超调量。进一步放大瞬态时间刻度中的波形，如图7，硬开关瞬态和自换向瞬态非常快，在达到稳态之前会出现最小的振铃。
图5
图6
图7
由于没有测功机，因此在空载条件下驱动电机测量了逆变器的功率损耗。测得的功率损耗与一相RMS电动机电流的函数关系如图8所示。如果将一路推算出400W电动机功率，则包括控制器在内的逆变器（包括控制器）的预期效率将超过98.4％。
图8、测得的电动机驱动器功率损耗与进入电动机的相电流的关系
逆变器在未安装散热器的情况下并使用400 LFM强制空气冷却。图9显示了在9 A(RMS)下运行时，热稳态下ePower平台设备的温度。
图9
<总结>
展示了采用EPC21521 GaN ePower stage设计的60V三相BLDC电机驱动逆变器。 FET和栅极驱动器的单片集成不仅可确保小尺寸，而且即使在驱动器的开关频率较高时也可确保低开关损耗。最终结论是展示了紧凑的驱动解决方案，可以轻松地与电动机集成。
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