【技术】GaN如何改革创新电机驱动应用？

时间： 2021-03-02 来源：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。

C_RSS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（C_RSS）特性，线性度以及其低压值与高压值之间的比率（C_RSSlow / C_RSShigh）。

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C_RSSlow / C_RSShigh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C_RSS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C_RSSlow/ C_RSShigh = 1500 pF / 35 pF = 43；

GaN：相应的EPC 100 V eGaN®FET是EPC2022，其C_RSSlow/ C_RSShigh = 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C_RSS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 C_RSS(low)/C_RSS(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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