【技术】GaN如何改革创新电机驱动应用?

2021-03-02 EPC
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电机驱动应用跨越几个市场:工业、电器和汽车。不管市场如何,一个共同点是,当一项新技术刚被提出时,它将面临被采纳的阻力;毕竟,坚持已知的东西并抵制变革是人类的天性。现在这种情况正在发生——GaN技术改变了电机应用领域的规则。对新技术的抵制表现为竞争对手的恐吓策略,包括设计复杂度、可靠性问题,特别是在电机驱动、安全性和电磁干扰方面的挑战。在这篇文章中,EPC将消除这些荒诞的说法,并说明GaN为什么能使电机驱动应用发生革命性变化。


CRSS在开关中的作用:如何使用GaN获得对电机友好的dv/dt

在处理新技术(例如最新的MOS,GaN和SiC器件)时,获得比上一代产品更快的开关速度是很正常的。 人们通常会认为,由于GaN器件切换速度如此之快,以致栅极驱动器无法保持控制,这是一个普遍的偏见。 实际上,在仔细研究给定器件时,必须考虑其反向电容(CRSS)特性,线性度以及其低压值与高压值之间的比率(CRSSlow / CRSShigh)。


常规的栅极驱动是通过电阻器向开关的栅极施加电压来完成的。如果CRSSlow / CRSShigh的值太高,则可能发生以下两种情况之一:

在接通事件开始时,开关速度过快,导致高dv/dt;

在接通事件结束时,开关速度过慢,导致拖尾效应和更高的功率损耗。

这被嵌入到CRSS曲线的多段性质中。那么,硅和GaN在现实中如何比较?

硅:典型的100 V MOS(BSC027N10NS5)的CRSSlow / CRSShigh = 1500 pF / 35 pF = 43;

GaN:相应的EPC 100 V eGaN®FET是EPC2022,其CRSSlow / CRSShigh = 300 pF / 6 pF = 50。

因此,在保持较低开关损耗的同时,eGaN FET比MOS的速度更慢一些。此外,由于CRSS曲线比MOSFET更线性,因此GaN的换向波形更加平滑。 另一个优点是,没有任何内在体二极管的反向恢复特性,从而进一步降低了EMI和噪声。

图1:(a)BSC027N10NS5 MOSFET;(b)EPC2022 eGaN FET的电容与电压的关系。 MOSFET在0 V和60 V时测得的 CRSS(low)/CRSS(high)之比为43,而eGaN FET为50


dv/dt对辐射EMI的影响

在GaN逆变器中,dv/dt可以降低,以满足每个用户的需求。问题就变成了:目标是什么?在高压电机应用中(即320 V直流母线和更高电压下),通常要求绝缘可靠性小于5 V/ns。尽管有这个限制,但在过去与笔者合作的公司成功发布了以15 V/ns开关的FredFET和超结MOS智能模块。这些零件今天已售出数百万,并被电机驱动客户广泛接受。


但是,电池供电应用中的低压(即48 V)电动机又如何呢?没有类似的dv/dt目标,非常典型的是10 V/ns至20 V/ns。这是GaN逆变器成功实现的dv/dt目标,同时又不影响开关功耗。


但是dv/dt是辐射EMI的准确预测因素吗?答案是肯定的、也是否定的。在EMC消声室中工作了这么多小时之后,笔者可以说仅凭dv/dt来预测驱动器的EMI行为是困难的。


一个常见的 "智慧 "是,GaN的快速上升和下降时间会产生EMI,这显然是不正确的,从事硬件工作的人都知道。但在电机应用中拥有最快允许的dv/dt有什么优势吗?实际上,最快允许的dV/dt可以消除在处理GaN逆变器时不再需要的死区时间。


短的死区时间对电机逆变器的影响

使用GaN逆变器,可以将空载时间减少到10 ns或更短,从而在对电动机施加电压时能取得比死区时间为200 ns或更长的MOS逆变器得到更低的谐波失真。 GaN逆变器的出色线性度允许最低的噪声运行,尤其是在低速运行时。 此外,所施加电压的最低谐波含量反映在电动机电流上的谐波失真较低。 因此,没有死区时间的GaN逆变器可减少振动,减少热量并降低EMI。


在电池供电的电机逆变器中提高PWM频率时的GaN优势

GaN逆变器具有较低的开关损耗和在允许的dv/dt下的平滑开关,因此可以轻松地以100 kHz PWM频率工作。直接结果是大大降低了电池电缆上的电压和电流纹波,因此无需任何基于电解电容器的LC输入滤波器。一个具有低电容值的简单22 uF陶瓷电容器可以代替一个330 uF(有时是两个)的大容量电解电容器,从而节省成本,提高效率,可靠性和使用寿命。在100 kHz频率范围内,陶瓷电容器的ESR较低。在100 kHz时,陶瓷电容器是GaN逆变器的最佳去耦伴侣。


EPC9146评估板上的一些实际测量

在实验室中,笔者使用不带滤波器的EPC2152 ePower™Stage IC运行了EPC9146评估板,并在电机端子上以最快的换向速度测量了15 V/ns  dv/dt。 死区时间可以减少到10 ns,PWM频率从20 kHz增加到100 kHz,与20 kHz时的330 uF电解电容器相比,使用22 uF陶瓷电容器在100 kHz时电池电缆上的电压和电流纹波更低 。


结论– GaN处于创新之路

随着GaN器件的采用不断加快,现有的MOSFET生产商认识到他们的产品已变得无关紧要,他们产生了一些恐吓策略,以鼓励设计人员坚持一贯的做事习惯。 但是,在实际电路设计中很容易实现GaN的预期优势。随着器件体积更小、速度更快、可靠性更高、价格相对低廉,越来越难找到不使用GaN FET和GaN IC的理由——这是一项正在走向创新的技术!


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