GaN技術開啟馬達驅動應用新頁

作者 : Eric Persson,英飛凌科技AC-DC應用首席資深工程師

採用整合線性化電容器方案的氮化鎵(GaN)智慧電源模組(IPM),與矽晶技術相比,在用於馬達驅動應用時的功率損耗顯著降低,同時也不會出現影響可靠性和EMI相容性的高開關速率問題…

隨著工業、辦公設備和家庭自動化等領域的不斷發展,馬達及其驅動器越來越廣泛地用於各種應用場景,包括從工業機械手臂控制到消費級市場的家用洗衣機等。人類應用馬達已經超過一個世紀了,但是,因應未來應用場景中對於動作控制更高靈活度的要求,我們需要更加「智慧」的馬達驅動控制,以實現更好的功能和節能效果。

然而,目前在這方面仍面對諸多限制。在工業應用上,馬達及驅動設計必須更加小型化、輕量化以及現高運作效率。而在消費級市場,馬達及驅動設計則需要保持低成本。

透過採用電子馬達驅動器或「電壓源逆變器」可實現對馬達的增強型控制,此類驅動器通常會產生可變頻率和振幅的三相交流電(AC),以便控制馬達的速度、扭矩和方向。採用開關電源技術的驅動器通常在16kHz左右運行,並以脈衝寬度調變(PWM)來實現輸出控制。

數十年來,諸如矽MOSFET之類的半導體元件,其開關速度已經提升到一個更高的數量級了。但在馬達驅動器中,更高開關頻率帶來磁性元件體積減小的優勢並不明顯。在馬達設計中, 磁性元件本身就是馬達本體,其尺寸需根據應用場合而定。因此,為了使開關損耗最小,保持較低的開關頻率則是明智的選擇。

同時,MOSFET等高頻元件所具有的高速開關特性實際上也存在其自身的問題:其較高的‘dV/dt’會帶來馬達繞組間較大的絕緣應力以及電壓過衝或諧振,從而導致擊穿和「局部放電」退化等風險。此外,為了它所產生的高電磁干擾(EMI)還需要安裝額外的濾波器,同時共模EMI電流會透過馬達軸承傳到至地面,從而在軸承座圈中產生顫動形式的機械磨損。

整合功率模組

儘管缺乏高頻開關的優勢,IGBT仍被普遍使用於馬達驅動,以實現更高的驅動效率。矽基MOSFET同樣在應用中減慢閘極驅動速度以用於馬達驅動,透過加入緩衝電路和在三相驅動輸出中採用外部串聯和共模濾波器來降低開關速率,但所有這些都會在一定程度上影響效率。針對中、小功率應用,MOSFET比起IGBT更具有較低的開關及導通損耗。目前這兩種類型的元件都有相應的整合型「智慧電源模組」(IPM)產品可提供,其中整合了所需的6個開關、閘極驅動器以及保護功能。

採用GaN的寬能隙元件

整合矽MOSFET的IPM可以實現高效率驅動,但也由於存在半導體材料限制而難以進一步提升。更高的效率不僅可以節省能源和成本,而且還能採用更便宜、體積更小、重量更輕的散熱片。如果透過技術革新而無需再安裝散熱風扇,或者允許在機械手臂中將驅動直接整合於馬達旁邊,而非放置在遠端機櫃中,其帶來的優勢顯而易見。

目前,可以透過更高效率的氮化鎵(GaN)元件,製造高電子遷移率電晶體(HEMT)以應用於馬達驅動。例如,英飛凌科技(Infineon Technologies)提供了這種寬能隙(wide bandga;WBG)技術,比起其他同類矽MOSFET具有更低的導通損耗,而這也是實現上述整合馬達驅動的技術關鍵,其帶來的馬達驅動之整體體積及效率最佳化遠遠超過單一GaN電晶體。

控制dV/dt是關鍵

例如其CoolGaN等GaN開關速度非常快,能夠達到數百kV/µs的開關速率(edge rate),這對於工作在1MHz或更高頻率下的微型AC-DC和DC-DC轉換器是一個重要屬性。然而,在低頻馬達驅動器中,與較早技術中本已很小的開關損耗相比,沒有辦法帶來明顯的效率優化,但EMI、諧振、故障和軸承磨損等問題在高開關速率下卻更加嚴重。

因此,必須將開關速率控制在更適當水準。如果需要同時保持高效率,有損緩衝器和外部濾波器顯然不是理想方案,此時可以考慮採用減慢開關元件閘極驅動訊號的方案。典型的方法是增加串聯閘極電阻,和閘極電容形成R-C濾波器,從而減慢開關速度,通常兩個電阻與二極體控制一起使用,以獨立控制導通和關斷過程。

這種方法在Si-MOSFET元件中很常見,但對於GaN元件卻存在一個問題,在不同工作條件下,閘極電容會在30dB範圍內變化,而對於MOSFET,變化範圍要小得多。這意味著引入的延遲也需要在很大範圍內變化,才能控制開關速率dV/dt在期望範圍內。為了確保馬達運行可靠,開關速率應不超過約5kV/µs (5V/ns)。因此,如果電阻器將此設置為最壞的情況,在其他條件下,開關速率將慢得多,有可能對運行效率造成很大影響(見1)。

圖1:添加一個簡單的閘極電阻會導致可變的dV/dt限制。

功率元件總閘極電容CRSS的變化主要是由於「米勒」(Miller)效應,其中閘極-汲極電容CGD由於汲極從高電壓過渡到低壓再返回高電壓而得到有效放大,可變的元件輸出電容COSS和輸入電容CISS也起到了一定作用。

最佳化開關速率的有效解決方案之一是透過電容採樣汲極電壓,該電容會產生與dV/dt成比例的電流,然後將其饋送到閘極驅動電路,以控制閘極充電和放電電流,並在各種條件下保持恒定的開關速率。但是,由於增加了一個高壓電容器,作為一個離散式元件,該電容器不容易整合至IPM,因此實施起來存在一些問題。由於IPM中控制器需要額外的打線接合製程,其成本也會隨之增加。此外,電容器連接中的寄生電感可能會導致持續的振盪和設備故障。

該電容器可作為GaN晶片的一部份進行製造,並通過打線接合進行連接,但設計工程師意識到,在GaN晶片中從汲極到閘極簡單地整合一個很小的電容器會對整體電容產生顯著的「線性化」影響。所選取的電容值很小,約為1.2pF,導致現有值兩倍左右總閘極電荷值。驅動損耗會增加,但是在16kHz開關頻率下大約為50µW,因而可忽略不計。2顯示這種效果,其中開關速率精確地限制在5V/ns左右,在較輕負載下dV/dt自然會回落到較低值。

圖2:在包括GaN線性化電容的所有條件下,關關速率均受到限制。

技術的進展使得這款高效智慧功率模組的效率比起同等應用中的Si-MOSFET元件更高得多,同時將開關速率控制在可接受水準。1中兩種技術的比較顯示,在馬達驅動應用中,1 比較了矽基和GaN IPM的三種驅動方案,在相同溫升情況下,GaN元件損耗幾乎減少一半,充份利用了IPM中GaN元件更低的導通電阻。GaN IPM的優勢也體現在從有散熱器設計或無散熱器設計,以及在相同體積的驅動電路下驅動更大功率的馬達。兩種情況下都有助於節省系統成本。

表1:MOSFET和GaN開關技術的智慧功率模組功能比較。

結論

採用整合線性化電容器方案的GaN IPM,與矽技術相比,在用於馬達驅動應用時的功率損耗顯著降低,同時也不會出現影響可靠性和EMI相容性的高開關速率問題。例如,英飛凌科技的GaN元件具有良好的特性,足以因應馬達驅動應用中經常出現的應力和短路等問題。

GaN元件不再是單純的新奇產品,它們的價值已經在直流輸出功率轉換器中得到體現,並證實其有潛力降低馬達驅動器的系統成本,從而提供了新的GaN元件應用市場。

本文原刊登於EDN China網站

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