【技术】GaN逆变器用于电池供电的电机驱动应用详解

时间： 2021-11-06 来源：EPC

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GaN晶体管和IC提高了电机驱动应用中的功率密度。最佳布局方法允许从支路分流器或同相分流器获得无环路输出开关波形和干净的电流重建信号。

仓库自主机器人和精益生产线协作机器人等许多应用都要求每台电机的逆变器在小巧轻便的同时具有高功率能力。这对设计师带来了一个挑战，因为功率、大小和重量一直是对立的特性。在电池供电的应用中，每减少一立方英寸的占用空间和每减少一克重量，就可以延长两次电池充电之间的运行时间。Efficient Power Conversion（EPC）的GaN FET帮助设计师提高功率密度以应对挑战。

EPC9145 电机驱动电源评估板

EPC2206 80V 2.2mΩ eGaN^®FET (图1)是总线电压低于70VDC的最佳选择。在电机驱动器中，PWM频率通常保持在50kHz 以下，死区时间在500纳秒以上。在这些情况下，开关RDSON是设计人员要考虑的主要参数。第二个要考虑的参数是器件的热性能，特别是器件结壳体热阻，Rθjc。传统的基于MOS的解决方案每个开关有一个或多个并联的器件，并且基于5x6毫米或10x10毫米的封装，如图1所示。

图1. EPC2206 80V 2.2mΩ GaNFET (左)与类似的RDSON MOSFET比较。

图2. EPC9145基于EPC2206的三相逆变电源板-10x12厘米

EPC9145是一款电机驱动评估板，采用EPC2206，并具有除微控制器以外的所有所需部件来驱动板上的电机。它可以在最大70VDC的总线电压和25ARMS的最大相电流下运行。电机控制器可以从市场上的产品中选择，也可以使用合适的EPC配套板进行连接。在图2中，从左到右有控制连接器，用于将电压和电流反馈到外部微控制器的信号调节电路，陶瓷电容，带有支路分流器和分相器的三相逆变器，最后是电机连接器。

dv/dt开关波形

EPC9145 PCB已按照EPC最佳布局规则(图4) ，确保在电源回路中的电感最低。主要标准是观察元件布局的对称性，并在顶层和第一内层约束整个高频路径。在 EPC9145中，布局稍微复杂一些，因为在高频功率回路中有支路分流器，如图3所示。

图3. 开关单元的详细视图

图4. EPC 最优布局建议

高频电容器是九个220nF大小的0603全部并联，以降低高频下的整体电感。同样的原理也适用于由4个SMD电阻4mΩ 0805宽体组成的1mΩ支路分流传感器。结果可见于图5，其中相位V的开关节点随时间在上升和下降的边缘摆动，如图所示。

图5中的图片是用无限余辉捕获所有波形的，因此可以清楚地看到最大的dv/dt。没有观察到电压过冲，dv/dt在典型的电机驱动应用中明显处于范围之内。细心的读者可以观察到死区时间被设置为50ns (2.5格)。

图5. 30V 总线上的 V 相上升沿 / 30V 总线上的 V 相下降沿

电流感应同相与支路分流器

在电机驱动逆变器中使用分立式eGaN FET或GaN ePowerTM级IC时，通常使用同相电流分流器和隔离(功能或电流分流) IC 从开关相的共模中提取电阻上的低压差分信号。这种方法的优点是给用户在整个 PWM 周期内连续访问相电流信号，除了在开关过程中，此时信号可能受到相dv/dt的影响。然而，与支路分流检测相比，同相分流解决方案的高成本和低带宽可能不利于GaN逆变器在电机驱动中的应用。

图6. 同相和支路分流电流检测比较-注意：图像中的噪声是由非最佳测量设置拾取的。真实信号更清晰，因为它可以通过控制器电流重构来显示。

EPC9145为用户提供了测试这两种解决方案并决定哪一种最适合其应用的机会。实际上，每个开关单元都有同相1mΩ分流器和1mΩ支路分流器。两个电路的20倍放大增益、偏移和极性是相同的，因此用户可以连接一个或另一个检测方案到外部微控制器，而无需更改任何固件。如图5所示，插入分流器在低侧支路不会对开关行为产生不利影响。

图7a. 分流信号开尔文连接的内层

图7b. 分流开尔文迹线的模拟地线屏蔽的上下层

图6显示了两种电流测量方法的比较，以及从连接在逆变器输出端的电流探头获得的信号。当相电压较高时，通过支路的信号为零，放大器的输出集中在1.65 V；当相电压较低时，流经同相分流器的电流也流经支路分流器，使两个放大信号重叠。传统的磁场定向控制算法测量的是相位低电压脉冲中间的电流(图6中由两颗星指示) ，因此，只要简单地改变三个跳线在 EPC9145板上的位置，就可以使用这两个信号中的任何一个。

精确电流检测的布局规则

EPC9145展示了将低电压信号从整个电源板的并联电阻路由到它们被放大并带到微控制器连接器的点的良好实践。主要的标准是在分流器上进行开尔文测量，并且如图7所示，通过布线层上下各层上的模拟接地笼进行屏蔽，使走线尽可能接近。另一个好的做法是将数字地线和电源地线从模拟地线分开，并将它们连接在远离电源环路的单一点上。

图8. 40 kHz 50 ns DT 操作，60 VDC 17.5 ARMS 相电流-支路分流测量

图9. 在60 VDC 10 ARMS 相电流40 kHz 50ns DT 处的红外图像(由热耦合器确认)

无散热器运行

在一台带有磁滞制动装置的电机台架上测试 EPC9145时，采用了同相和支路检测技术。17.5ARMS 60VDC 的电流和电压波形如图8所示。图9显示了没有散热器且没有空气对流的EPC2206两端的温度。在这种情况下，60VDC下的电流为10ARMS，与环境温度的差异为30°C。有和没有空气对流的散热器测试正在进行中，结果将很快在电路板快速入门指南中公布。

100kHz工作的好处

eGaN逆变器可以轻松地在100kHz下运行。其优点是，当PWM频率增加时，输入电压和电流纹波会减少，允许用户移除电解电容器，只使用更小、更轻、更可靠的陶瓷。在EPC9145的上表面装有陶瓷电容器，底部装有电解电容器。在顶层和底层都有占位符，这样用户就可以安装或卸下电容器，并自己进行试验和判断，以找到最佳的重量、大小和热操作的正确工作点。

结论

许多电池供电的电动机应用正在从传统的Si MOSFET，低PWM频率向GaN逆变器转移，这种逆变器可以在较高的PWM频率下运行，并且在不牺牲整个系统效率的前提下，具有减小体积和重量的优点。选择合适的栅极驱动和优化布局，开关波形清晰且易于管理dv/dt 。

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