【经验】电机驱动设计中基于GaN的逆变器优势介绍——减少尺寸和重量的同时操作更顺畅

时间： 2021-11-19 来源：EPC

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本文EPC主要讨论了在电机驱动设计中使用基于GaN的逆变器而不是基于硅的逆变器的优势，从而在减少尺寸和重量的同时操作更顺畅。这些优势是关键的电机驱动器用于典型的应用，如仓储物流机器人、伺服驱动、电动自行车和电动滑板车、协作式和低压机器人、医疗机器人、工业无人机和汽车电机。

Omdia预测，未来5年，仓储和物流机器人的全球出货量将迅速增长，从2018年的19.4万台，到2022年，每年93.8万台，增长速度将在2021年之后放缓，因为届时许多主要参与者将采用机器人系统。这一领域的全球收入将从2018年的83亿美元增加到2022年的308亿美元，为现有参与者和新兴参与者提供了重要的机会。

氮化镓的优势

氮化镓场效应管和集成电路与同等指定的硅场效应管相比，开关速度更快、更平滑，反向恢复为零。这种更快和更好的开关允许在逆变器设计中以更高的开关频率运行，以消除电解电容器的操作。此外，氮化镓可以在最小的死区时间内工作，这增加了从电机获得的每安培有效转矩，从而使电机更高效。此外，氮化镓允许逆变器与电机的集成，从而减少了系统的尺寸和重量。表1显示了具有相似RDS(on)评级的EPC GaN FET与mosfet的比较。

表1:EPC GaN fet与mosfet的关键参数比较

在典型的电机设计中，PWM频率在20到40kHz之间，死区时间在100纳秒到500纳秒之间。输入电缆可以至少10到20厘米长，并成为电磁干扰的来源，传导或辐射。因此，在传统的电机驱动设计中，通常会添加一个输入EMI LC滤波器。我们将证明这可以在基于gan的电机驱动设计中去掉。

电容器选择

当比较电解电容和陶瓷电容时，请记住，电容中的有效值电流与PWM频率无关，而电压纹波与PWM频率和电容成反比。因此，电解电容器的尺寸采用均方根电流。它们是超大的，并且它们的值不随PWM频率变化。陶瓷帽的尺寸与电压纹波和最小所需电容一致。它们的值和大小随PWM频率的增加而减小。100kHz的操作是陶瓷电容器ESR的最佳点。这表明陶瓷电容器在占用容量、可靠性、成本和电磁干扰方面具有明显的优势。

死区效应

图1

在图1的左边，500ns死区时间对20 kHz PWM操作的电机的影响被显示出来。电流中有六个不连续点，用橙色圈出来。这些不连续造成了转矩的六次谐波。它是偶谐，所以只产生振动。

在图1的右侧，它显示通过减少死区时间到14ns，不连续消失，第六次谐波也一样。

在图2中，扭矩信号由一个扭矩/速度传感器获得，并用FFT进行分析。当死区时间为500纳秒时，左边出现的扭矩信号的第6次(偶)谐波在右边设置的死区时间减少到14纳秒时完全消失。

图2

在EPC意大利电机驱动实验室，进行了一个实验，以进一步评估这些差异。两个系统，都在36 V_DS, 5 A_RMS，和400 RPM，进行了比较。设置1使用2个330f电解电容器和1个2.7 H输入电感，运行在20kHz和500ns死区时间，典型的传统硅mosfet基电机驱动。设置2操作在100 kHz，14 ns死时间，并使用2 x 22μF陶瓷电容器和无输入电感器，这是只有使用 GaN 才能实现的。

表2总结了这两种设置的总体影响。通过运行在100kHz，氮化镓逆变器允许使用陶瓷电容器代替体积庞大的电解电容器。通过减少死区时间，可以获得更多的扭矩每安培，使电机更有效率，从而使整个系统更有效率。较高的频率设置将整体系统效率从65.3%提高到71.8%。

表2:两种电机驱动设置的总结

结论

GaN FET 和 IC更快更好的开关性能允许逆变器在更高的开关频率下运行，从而消除电解电容。此外，氮化镓可以在最短的死时间内工作。这种死区时间的减少增加了从电机获得的有效转矩/安培，使电机更高效，并允许逆变器与电机的集成，进一步减少了整体系统的尺寸和重量。这些优势对于用于移动解决方案、机器人和无人机的电机驱动器至关重要。

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