電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)“Electrify Our World”的下一代解決方案

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)消耗了歐洲近50%的電力 [1]，因此政府制定了相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以確保盡可能高效地使用電力，同時(shí)盡量減少對(duì)電網(wǎng)的影響和擾亂。目前變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（VSD: Variable Speed Drives）在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)的恒速感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)相比，它們可降低高達(dá)90%的能耗[2]，同時(shí)具有減小電機(jī)尺寸、提高動(dòng)態(tài)性能和可靠性等優(yōu)勢(shì)。

IEC 61000等標(biāo)準(zhǔn)旨在支持電網(wǎng)中電氣設(shè)備的抗擾度和輻射等方面，因?yàn)?a target="_blank">電機(jī)驅(qū)動(dòng)器呈現(xiàn)的大感性負(fù)載會(huì)顯著影響本地電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為了滿(mǎn)足這些標(biāo)準(zhǔn)的要求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中已經(jīng)采用了包括有源功率因數(shù)校正（PFC：Power Factor Correction）在內(nèi)的多種技術(shù)，將失真波形調(diào)制回正弦波，以最大化電網(wǎng)供電的有效功率。

GaN有效提升系統(tǒng)性?xún)r(jià)比

GaN器件作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，與傳統(tǒng)Si基半導(dǎo)體的同等級(jí)產(chǎn)品相比，它具有卓越的性能，其中包括開(kāi)關(guān)速度提高20倍和功率密度提高3倍以上等優(yōu)勢(shì)。將GaN功率器件集成到PFC和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的逆變級(jí)中，可顯著降低功耗和減小系統(tǒng)尺寸，從而實(shí)現(xiàn)逆變器與電機(jī)的緊湊集成。本文將詳細(xì)介紹納微半導(dǎo)體創(chuàng)建的400W電機(jī)集成逆變器參考設(shè)計(jì)方案。

GaN FET不存在任何反向恢復(fù)電荷，可實(shí)現(xiàn)極快的開(kāi)關(guān)速度，因此開(kāi)關(guān)損耗比Si基IGBT和MOSFET低4~5倍，總功率損耗可以降低約50%。功耗降低意味著器件發(fā)熱量的減少，從而有效減小散熱器的尺寸，甚至在某些低功耗驅(qū)動(dòng)器中可以棄用散熱器。散熱器級(jí)別機(jī)加工鋁的成本在2021年達(dá)到了13年來(lái)的最高水平，價(jià)格約為8美元/kg，因此最大限度地減小散熱器尺寸可以顯著降低總系統(tǒng)成本。此外，由于系統(tǒng)重量減輕，運(yùn)輸成本也將隨之降低。

極低的開(kāi)關(guān)損耗和無(wú)反向恢復(fù)損耗相結(jié)合，使開(kāi)關(guān)頻率具有了新的自由度，而且變頻器也實(shí)現(xiàn)了熱設(shè)計(jì)優(yōu)化。電機(jī)集成逆變器的工作條件很?chē)?yán)酷，除了振動(dòng)和強(qiáng)磁場(chǎng)外，環(huán)境溫度可能會(huì)升高，這使得功率器件的冷卻變得棘手，因此最好采用不會(huì)產(chǎn)生大量熱量的功率器件開(kāi)始。

高集成度有效提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率、

控制性能和魯棒性

GaNSense技術(shù)將GaN功率器件優(yōu)異性能與相關(guān)驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和動(dòng)態(tài)感測(cè)等功能集成在一起，使其成為高可靠性電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的理想選擇。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)電路具有相應(yīng)的穩(wěn)壓電路和包括過(guò)溫和過(guò)流檢測(cè)在內(nèi)的保護(hù)電路，具有自主的自我保護(hù)功能。所有這些功能都是完全集成的，從而具有卓越的性能和最高的可靠性。輸入信號(hào)可以采用簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)控制，無(wú)需外部元件進(jìn)而縮小PCB面積，從而可以將緊湊型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝在電機(jī)外殼中，這對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)小型化非常有利。

1.采用納微半導(dǎo)體 GaNSense技術(shù)的高集成度

GaNFast IC 簡(jiǎn)化框圖

與分立Si基器件或分立GaN器件相比，GaNSense技術(shù)可以在30ns內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和保護(hù)，比Si基器件或GaN分立器件快6倍，從而提高系統(tǒng)可靠性，更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參考在應(yīng)用筆記 AN015 中的說(shuō)明。

與安裝在散熱器上的傳統(tǒng)低精度溫度傳感器相比，在功率開(kāi)關(guān)上集成溫度控制可提供更高的精度和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這對(duì)于不易維修的電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要，尤其是在需要最高可靠性和較長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間的工業(yè)環(huán)境中。內(nèi)置的過(guò)溫保護(hù)電路將在超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)關(guān)斷GaN IC，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速保護(hù)。

GaNSense技術(shù)中無(wú)損耗電流檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)消除了對(duì)大體積且昂貴的分流電阻器的需求，從而顯著減小了系統(tǒng)尺寸和降低成本，同時(shí)又維持了快速過(guò)流保護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)工廠自動(dòng)化中工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需的系統(tǒng)魯棒性。

此外，總體元件數(shù)量的減少可以顯著降低時(shí)間故障（FIT：Failures in Time）率，提高系統(tǒng)可靠性。納微半導(dǎo)體于近期宣布對(duì)其氮化鎵產(chǎn)品提供20年有限質(zhì)保，這也是業(yè)界廠商首次強(qiáng)調(diào)其產(chǎn)品卓越可靠性。

納微半導(dǎo)體推出了全新半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)GaN功率IC系列產(chǎn)品，如表1所示。由于該系列GaN功率半橋IC產(chǎn)品引腳兼容且具有不同RDSON值，因此設(shè)計(jì)中可輕松實(shí)現(xiàn)向上或向下功率擴(kuò)展。

表 1 Navitas半橋結(jié)構(gòu)GaN功率IC產(chǎn)品陣容

上述所有全新半橋產(chǎn)品均采用節(jié)省空間的PQFN封裝，可實(shí)現(xiàn)與PCB良好的熱連接以及低寄生電感和電阻，并展現(xiàn)出與納微半導(dǎo)體單一功率器件相同的魯棒性和可靠性，特別是高瞬態(tài)電壓能力（連續(xù)650V及瞬時(shí)800V）。該系列產(chǎn)品享有納微半導(dǎo)體最近承諾的20年受限質(zhì)保，有關(guān)產(chǎn)品性能和魯棒性的更多信息，請(qǐng)?jiān)趙ww.navitassemi.com參見(jiàn)各自的數(shù)據(jù)手冊(cè)[3]和應(yīng)用筆記AN-018[5]。

電機(jī)集成逆變器參考設(shè)計(jì)

GaN功率IC在半橋拓?fù)渲械倪m用性使緊湊型電機(jī)逆變器能夠得以輕松實(shí)現(xiàn)，如下圖2所示。

圖2 連接到BLDC電機(jī)背面的400W電機(jī)逆變器

直徑56mm的功率級(jí)PCB

上述逆變器由納微半導(dǎo)體的3個(gè)半橋GaN功率IC即包含輸入邏輯電路、電平轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器和柵極驅(qū)動(dòng)器、電流和溫度檢測(cè)電路以及自舉電源的全新NV6247組成，因此外部元件數(shù)量非常少。

逆變器3個(gè)橋臂其中1個(gè)的原理圖如圖3所示，圖中給出其中第2相的電路，3相的電路都是相同的。電路主要元件是集成了半橋配置中的兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件、柵極驅(qū)動(dòng)器及其穩(wěn)壓器以及PWM輸入邏輯電路的NV6247，其內(nèi)置自舉電路用于為P側(cè)驅(qū)動(dòng)器提供柵極驅(qū)動(dòng)電源，其內(nèi)部還內(nèi)置一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，因此輸入信號(hào)可以接地參考，使該器件成為最佳意義上的數(shù)字可控功率級(jí)。

此外，這款I(lǐng)C還包括多種感測(cè)功能。首先流過(guò)N側(cè)GaN功率FET的電流在內(nèi)部檢測(cè)，然后在電流檢測(cè)輸出引腳（CS）上轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，其次可以通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器上的電路檢測(cè)器件結(jié)溫，并在過(guò)溫時(shí)用于關(guān)斷功率器件。

這款I(lǐng)C外圍引腳包括高邊GaN功率FET漏極引腳（VIN，連接到VBUS）、半橋中點(diǎn)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳（VSW，連接到PHB）、低邊GaN功率FET源極 和IC GND引腳（PGND）、低邊IC電源引腳 （VCC）、 低邊柵極驅(qū)動(dòng)電源引腳 （VDDL）、低邊開(kāi)通dV/dt控制引腳 （RDDL）、低邊 5V 電源引腳（5VL）、低邊參考 PWM 輸入引腳（INL，INH）、低邊電流檢測(cè)輸出引腳（CS）、自動(dòng)待機(jī)使能輸入引腳（/STBY）、高邊電源引腳（VB）、P 側(cè) 高邊柵極驅(qū)動(dòng)電源引腳（VDDH）和高邊 5V 電源引腳（5VH）。IC的低邊外圍元件包括連接在VCC引腳和 PGND 引腳之間的VCC電源電容（CVCC）、連接在VDDL引腳和PGND引腳之間的VDDL電源電容（CVDDL）、連接在VDDL引腳和RDDL引腳之間的開(kāi)通dV/dt設(shè)置電阻（RDDL）、連接CS引腳和PGND引腳之間的電流檢測(cè)幅度設(shè)置電阻（RSET）、5VL引腳和PGND引腳之間連接的5V電源電容（C5VL），以及自動(dòng)待機(jī)使能引腳（/STBY） 連接到PGND引腳 以啟用自動(dòng)待機(jī)模式或連接到5VL以禁用自動(dòng)待機(jī)模式。IC的外圍元件包括連接在VB引腳和VSW引腳之間的VB電源電容（CVB）、連接在VDDH引腳和VSW引腳之間的VDDH電源電容（CVDDH）以及連接在5VH引腳和VSW引腳之間的5V電源電容（C5VH）。必須謹(jǐn)慎選擇高邊VB、5VH和VDDH旁路電容，以適應(yīng)高邊喚醒時(shí)間、高邊保持時(shí)間和待機(jī)功率等各種系統(tǒng)考慮因素。在電路圖右側(cè)可以看到VBUS阻隔電容，PCB中允許使用薄膜電容或電解電容，它們的目的是抑制由電源中的寄生電感和開(kāi)關(guān)動(dòng)作而可能產(chǎn)生的任何類(lèi)型的振鈴，因?yàn)樵撾娐钒迨菫橹绷鬏斎攵O(shè)計(jì)的。R17和C18可用于抑制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上可能由長(zhǎng)電纜及其電感引起的振鈴，并且是可選的。

圖3 逆變器單一橋臂的原理圖

（除GaN功率IC外，外部元件很少）

值得注意的是，該IC中功率器件的開(kāi)關(guān)速度可以通過(guò)外部電阻（本例中為R7）進(jìn)行調(diào)整。雖然降低開(kāi)關(guān)速度確實(shí)會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，但影響并不大，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損耗本身就非常低。這樣一來(lái)，開(kāi)關(guān)速度可以調(diào)整到電機(jī)需要的任何范圍，并且可以調(diào)整產(chǎn)生的EMI以符合所有必需的規(guī)定，且可以縮小EMI濾波器組件的尺寸，經(jīng)驗(yàn)表明這個(gè)電阻選為50Ω是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

CS引腳上的電阻R8可由微控制器及其ADC輸入根據(jù)需要設(shè)置，以適當(dāng)調(diào)整電壓。但是如果該引腳上的電壓超過(guò)1.9V，則會(huì)觸發(fā)過(guò)流保護(hù)。需要注意的是，CS引腳上電阻的選擇既會(huì)影響功率級(jí)電流對(duì)應(yīng)的電壓，也會(huì)對(duì)過(guò)流保護(hù)功能產(chǎn)生影響。

自動(dòng)待機(jī)模式旨在降低NV6247在沒(méi)有開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)的功耗。如果在超過(guò)~90μs內(nèi)未檢測(cè)到更多輸入脈沖，IC將自動(dòng)進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，從而將禁用柵極驅(qū)動(dòng)和其他內(nèi)部電路，并將VCC電源電流降低到更低水平。當(dāng)INL脈沖重新啟動(dòng)時(shí)，IC將在INL引腳輸入信號(hào)的第1個(gè)上升沿延遲（通常約為450ns）后喚醒，并再次進(jìn)入正常工作模式。

性能測(cè)試結(jié)果

上述逆變器是在納微半導(dǎo)體應(yīng)用工程實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造的，并可提供完整的設(shè)計(jì)文檔。逆變器與BLDC 電機(jī)和機(jī)械負(fù)載一起在如下工作條件下進(jìn)行了測(cè)試：直流輸入電壓300V、環(huán)境溫度25°C及開(kāi)關(guān)頻率為20kHz的FOC（磁場(chǎng)定向控制）算法。從PCB到環(huán)境的熱阻測(cè)量為~12.5K/W。圖4給出了最終的逆變器效率曲線(xiàn)，此時(shí)僅考慮電輸出功率與輸入功率而不考慮電機(jī)效率，在輸出功率300W時(shí)的效率接近99%。雖然逆變器的效率通常比電機(jī)效率高得多，但了解逆變器中產(chǎn)生的損耗仍然很重要，以便相應(yīng)地設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。滿(mǎn)載時(shí)功耗為<3W，散熱器體積可以大大減小，系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)也容易得多，最終避免了通常與安裝大型散熱器相關(guān)的大量手動(dòng)組裝工作。圖4中兩條曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)于不同轉(zhuǎn)換速度設(shè)置（紅色=20V/ns，藍(lán)色=40V/ns），結(jié)果差異相當(dāng)小。

圖4 整個(gè)輸出功率范圍內(nèi)逆變器的效率接近99%

圖5展示了在300W輸出負(fù)載下運(yùn)行逆變器時(shí)PCB整體溫度分布。環(huán)境溫度為25°C時(shí)，封裝表面溫度保持在60°C以下，考慮到損耗非常低，這并不奇怪。由于PQFN封裝功率開(kāi)關(guān)與PCB的熱連接良好，因此最大功率輸出受到PCB允許溫度（通常為105°C）的熱限制。GaN功率開(kāi)關(guān)本身確實(shí)可以承受更高的溫度，因此這種設(shè)計(jì)既具有出色的可靠性，又具有出色的魯棒性，適用于可能會(huì)使功率開(kāi)關(guān)溫度非常迅速地升高的輸出短路或轉(zhuǎn)子失速等異常工作條件，直到控制器或內(nèi)置過(guò)溫保護(hù)電路可以做出反應(yīng)。

圖5逆變器電路板熱掃描圖像

（有益于逆變器的低損耗，電路板表面溫度相對(duì)較低）

總結(jié)：GaNSense半橋IC可提高效率并降低成本

不同電機(jī)系統(tǒng)有著不同的具體要求，但整體趨勢(shì)是相同的：更高的效率、更好的性能和更低的成本。GaNSense半橋功率IC可實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率和性能，同時(shí)降低整個(gè)系統(tǒng)的總成本。

GaNSense半橋功率IC提供了最高級(jí)別的集成度，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)、電源、保護(hù)和檢測(cè)等多項(xiàng)功能，使電機(jī)集成逆變器具有出色的性能和可靠性。

審核編輯：劉清