GaN功率元件賦予工業馬達控制潛力無限

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

氮化鎵(GaN)功率元件的優越電氣特性,正逐步淘汰複雜的工業馬達控制應用中所使用的傳統MOSFET和IGBT…

近年來,隨著馬達在各種應用中的廣泛使用以及巨大的節能潛力,馬達控制技術——特別是頻率控制驅動器,取得了快速進展。馬達控制用的機架式電源模組在對成本、尺寸和性能特別敏感的應用領域持續發生重大變革。

新興電子應用需要能從緊湊型平台中獲得更高性能的電動馬達設計。依靠經典矽基MOSFET和IGBT的馬達驅動器電路正致力於滿足新的標準。隨著矽基技術接近功率密度、擊穿電壓和開關頻率的理論極限,設計人員越來越難以控制功率損耗。這些限制帶來的主要後果是在高工作溫度和開關速率下的效率降低以及性能問題增加。

以一個運作在≥40kHz開關頻率下的矽基功率元件為例。在這些條件下,開關損耗大於傳導損耗,並會對總功率損耗產生級聯效應。散發所產生的多餘熱量需要使用散熱片,這就會造成解決方案的重量、佔位面積和生產成本增加。

基於氮化鎵(GaN)的高電子遷移率電晶體(HEMT)元件具有優越的電氣特性,因此成為高壓、高開關頻率馬達控制應用中MOSFET和IGBT的有效替代品。本文主要著重於討論GaN HEMT電晶體在高功率密度電動馬達應用的功率級和逆變器級所提供的優勢。

在機器人和其他工業用途的馬達中,尺寸和能源效率非常重要,但其他因素也開始發揮作用。GaN解決方案可以實現更高的脈衝寬度調變(PWM)頻率,而低開關損耗則有助於驅動具有極低電感的永磁馬達和無刷直流(BLDC)馬達。這些特性還可以將伺服驅動器和步進馬達精確定位的轉矩波動降至最低,從而在無人機等應用中使高速馬達實現高電壓。

GaN的好處

GaN是一種寬能隙材料。因此,它的能隙(電子從價帶移動到導帶所需的能量)比矽的能隙更寬得多:大約是3.4eV對1.12eV。因為通常在接點積聚的電荷可能消散得更快,所以GaN HEMT的增強電子遷移率與更快的開關速度是息息相關的。

由於其較短的上升時間、較低的漏源導通電阻(RDS(on))值,以及更小的閘極電容和輸出電容,GaN可以實現低開關損耗,並能在比矽高10倍的開關頻率下運作。在高開關頻率下運作的能力,就使得佔位空間、重量和體積更小,從而消除了對電感器和變壓器等笨重元件的需求。隨著開關頻率的增加,GaN HEMT的開關損耗將保持遠低於矽MOSFET或IGBT的開關損耗,並且開關頻率越大,差異越明顯。

綜上所述,GaN元件在多個方面都優於傳統的矽基功率元件,主要的優勢包括:

  • GaN的擊穿場比矽高10倍以上(3.3MV/cm對3MV/cm),因此允許GaN功率元件在損壞前支援10倍以上的電壓。
  • 運作於相同電壓值時,GaN元件的溫度更低,產生更少的熱。因此,它們可以在比矽更高的溫度(高達225℃及以上)條件下工作,而矽則會受到其較低接面溫度(150℃至175℃)的限制。
  • 由於其固有結構,GaN能以比矽更高的頻率開關,並提供更低的RDS(on)和優越的反向恢復能力。這反過來又會帶來高效率,同時減少開關損耗和功率損耗。
  • 作為一種HEMT,GaN元件具有比矽元件更高的電場強度,從而允許GaN元件具有更小的裸磊晶尺寸和更小的佔位空間。

馬達控制解決方案

驅動交流(AC)馬達常用的解決方案包括AC/DC轉換器、DC電路和DC/AC轉換器(逆變器)。第一級通常基於二極體或電晶體,將50Hz/60Hz主電壓轉換為近似的DC電壓,其隨後又會經過濾波並被儲存在DC電路中以供後續的逆變器使用。最後,逆變器將DC電壓轉換為三個正弦PWM訊號,每個訊號用於驅動一個馬達相位。GaN HEMT電晶體通常用於實現馬達驅動器逆變器級,這是高壓、高頻馬達驅動解決方案的最關鍵部份。

例如,宜普電源轉換(Efficient Power Conversion;EPC)公司在單一封裝中整合驅動器和eGaN FET半橋功率級IC的EPC2152,基於該公司的專利GaN IC技術。單片晶片包含輸入邏輯介面、電平轉換、自舉充電和閘極驅動緩衝電路,以及配置為半橋的eGaN輸出FET。高整合度使其晶片級LGA封裝尺寸達到了緊湊的3.85mm×2.59mm×0.63mm。在半橋拓撲中,兩個eGaN輸出FET具有相同的RDS(on)。使用帶有eGaN FET的晶片閘極驅動緩衝器,幾乎消除了共源極電感和閘極驅動迴路電感的影響(參見1)。根據來自驅動輸出FET反饋的閘極驅動電壓內部穩壓,在仍將輸出FET開通至低RDS(on)狀態的同時,確保了安全閘極電壓級。

EPC ePower stage
圖1:EPC2152的功能方塊圖。(圖片來源:EPC)

另一個例子是來自GaN Systems的GS-065-004-1-L增強型矽基GaN功率電晶體。GaN的特性可實現大電流、高電壓擊穿和高開關頻率。GaN Systems實現其專利的Island Technology單元佈局,用於實現大電流磊晶性能和產量。GS-065-004-1-L是一種採用5mm×6mm PDFN封裝的底部冷卻電晶體,因此可以實現低結殼熱阻。結合這些特性可以提供非常高效的電源開關。

納微半導體(Navitas Semiconductor)的NV6113在5mm×6mm QFN封裝中整合了300mΩ、650V增強型GaN HEMT,以及閘極驅動器和關聯邏輯。NV6113可以承受200V/ns的電壓轉換速率,並在高達2MHz的頻率下運作。該元件針對高頻和軟開關拓撲進行了最佳化,可以用來創建易於使用的「數位輸入,電源輸出」高性能動力傳動建構模組。該電源IC將傳統拓撲(例如返弛式、半橋式和諧振式)的性能擴展到了兆赫頻帶以上的開關頻率。NV6113能夠在典型的升壓拓撲中作為單個元件部署,也可以在流行的半橋拓撲中平行部署。

Navitas NV6113 GaNFast power device typical application circuits

圖2:納微半導體的NV6113典型應用電路。(圖片來源:Navitas Semiconductor)

德州儀器(Texas Insrtuments;TI)提供廣泛的GaN整合電源元件組合。例如,LMG5200整合了一個基於增強型GaN FET的80V GaN半橋功率級。該元件由兩個GaN FET組成,並由一個半橋配置的高頻GaN FET驅動器驅動。為了簡化該元件的設計,TI提供了高頻馬達驅動參考設計TIDA-00909,其中使用了一個三相逆變器以及三個LMG5200。TIDA-00909具有相容介面,可連接到C2000 MCU LaunchPad開發套件,從而便於性能評估。

氮化鎵與碳化矽

由於具有節能、尺寸微縮、整合方案和可靠性等特性,碳化矽(SiC)元件在馬達控制和電力控制應用中的運用是一項重大突破。除此之外,現在可以在逆變器電路中為所連接的馬達採用最佳開關頻率,這對馬達設計具有重要意義。

在必須使用主動冷卻來調節半導體損耗,從而實現高性能和高可靠性的解決方案中,降低高達80%的損耗可望扭轉局面。例如英飛凌科技(Infineon Technologies)基於SiC的CoolSiC MOSFET,在1,200V最佳化的D2PAK-7 SMD封裝中採用了.XT連接技術,因而能以小尺寸提供吸引力的散熱能力。

這種組合使其得以在伺服驅動器等高密度馬達驅動領域實現被動冷卻,從而使機器人和自動化產業能夠創建免維護、無風扇的馬達逆變器。自動化領域的無風扇解決方案開啟了新的設計可能性,因為它們節省了維護和材料上的金錢和時間。由此獲得的小系統尺寸使其適合於機械手臂中的驅動整合。

相較於具有類似額定值的IGBT,根據為CoolSiC選擇的功率類型,可以在相同的外形尺寸下實現更大的電流,同時仍然保持在SiC MOSFET(約40~60K)的情況下明顯低於IGBT (105K)的恆定接面溫度。針對特定的元件尺寸,使用SiC MOSFET,還可以在沒有風扇的情況下驅動更大的電流。

總結

從在家中和廚房使用的電氣設備到所駕駛的汽車(包括汽油動力、混合動力和全電動車)以及生產智慧型手機的工廠,馬達幾乎遍佈現代文明的各方面。雖然有些馬達非常簡單,有些則非常複雜,但它們都有一個共同點,即都需要控制。

其他馬達應用,諸如當今工業廠房中的應用,需要使用複雜的馬達控制來提供高精度、高速的馬達控制活動。傳統的矽MOSFET和低PWM頻率的逆變器正在DC馬達和電池供電馬達應用中被逐步淘汰,取而代之的則是基於GaN的高PWM頻率的逆變器。其好處包括提高系統效率和消除大型被動元件,即電解電容器和輸入電感器。

(參考原文:GaN power devices offer advantages in industrial motor controlby Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EDN Taiwan 202211月號雜誌

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