利用氮化鎵元件消除馬達控制設計的死區時間

在電源轉換領域，死區時間是設計中必要但又繁瑣的一部分，迫使工程師做出讓步以確保系統的可靠性。 然而，最近的技術發展，特別是 GaN FET 的出現，正在挑戰這個現狀。在本部落格中，我們深入研究了死區時間對馬達控制器性能的影響和 GaN FET 如何重塑電力電子設計的格局。

了解死區時間

死區時間是指關斷一個功率元件和接通另一個功率元件之間所需的延遲時間，對於防止同時導通和潛在短路至關重要。例如在同步降壓轉換器中，如果兩個元件導通時間重叠，可能導致額外的損耗、更高的工作溫度，甚至在極端情況下發生故障。

由控制器插入控制死區時間可確保正有效死區時間。計算死區時間是複雜的，需要考慮傳播延遲、閘極電阻值和 FET 開關時間等因素。 與矽 MOSFET相比，由於氮化鎵元件沒有體二極體反向恢復和開關更快，因此需要更小的死區時間，從而成為高性能應用的絕佳選擇。

馬達控制器的死區時間

馬達控制器的死區時間會顯著影響效率，但由於一些細微的原因，需要仔細研究逆變器和馬達的相互作用。

死區時間的主要影響之一是零電流交叉期間產生的失真。這是因為在死區時間內，逆變器橋臂的高側和低側裝置都關閉，因此施加到馬達的實際電壓取決於電流向。在零電流交叉期間，此電壓會突然改變電流向，產生電壓失真，導致馬達電流波形中產生高次諧波。 這些電流不會產生任何有用的扭矩，但會導致馬達繞組的損耗增加，以及降低整體效率，如圖 1 所示。

縮短馬達控制器的死區時間對於提高效率至關重要。通過最大限度地縮小死區時間可以減少失真，從而實現更平滑的電流波形和更低的功耗，最終提高馬達效率和整體系統性能，如圖2所示。

基於氮化鎵元件的馬達控制器：改變市場遊戲規則

與通常使用矽基元件的傳統馬達控制器相比，基於氮化鎵元件的馬達控制器具有多種主要優勢，包括：

• 效率更高：與矽MOSFET相比，GaN FET具有更低的導通電阻和開關更快，以減少傳導和開關損耗，從而提高馬達控制器的整體效率。
• 更小和更輕：GaN FET可在更高的頻率下工作，從而允許使用更小的無源元件，例如電感器和電容器。更小和更輕的元件意味著基於氮化鎵元件的馬達控制器可以更小和更輕。
• 更高的功率密度：基於氮化鎵元件的馬達控制器尺寸更小，可實現更高的功率密度，這意味著可以在更小的佔板面積上實現更高的功率。這對於空間有限的應用尤其有利。
• 更快的響應時間：GaN FET更快的開關速度使馬達控制器的響應時間更快，從而提高系統的動態性能和響應能力。

基於氮化鎵元件的馬達控制設計實例

基於氮化鎵元件的馬達控制器的優勢使其非常適合需要高效率、小尺寸和高可靠性的各種馬達控制器應用。一些具體應用包括：

• 智慧出行：基於氮化鎵元件的馬達控制器器可提高電動自行車、電動滑板車和小型自動導引車(AGV)的效率，這對於延長這些電動運輸系統的行駛里程至關重要。氮化鎵元件可以在更高的頻率下工作，從而讓設計者可實現更小、更輕、具有更高的功率密度的系統。
• 工業自動化：基於氮化鎵元件的馬達控制器可以提高工業自動化應用的馬達控制系統的效率和可靠性。由於GaN FET具有更快的響應時間，因此可提高自動化流程的精度和速度。
• 機器人/協作機器人：與傳統矽基驅動器相比，GaN FET具有更高的效率、更快的響應時間和更小的尺寸，從而可提高機器人系統的整體性能、能效和縮小尺寸。
• 無人機：高效率、快速響應時間和小尺寸等優勢也使GaN FET成為無人機應用的理想元件。這些優勢可以延長無人機的飛行時間、提高機動性和有效載荷能力。
• 醫療設備：基於氮化鎵元件的馬達控制器可用於醫療設備，例如手術機器人和醫學成像設備，以提高性能和可靠性。由於GaN FET具備更快的響應時間優勢，因此可提高這些設備的精度和準確度，而其更高的工作溫度則可確保醫療環境中各種應用的可靠性。

高性能氮化鎵元件可優化馬達控制器的死區時間

與傳統矽基元件相比，氮化鎵元件能够更好地優化馬達控制器應用的死區時間，這主要是因為它具有卓越的性能特徵。

• 開關速度：與矽MOSFET 相比，GaN FET的開關更快。由於GaN FET的關斷和開啓時間顯著縮短，因此可以更精確地控制死區時間。更快的開關可以更嚴格地控制死區時間。
• 降低閘極電容：與矽MOSFET 相比，GaN FET具有更低的閘極電容。這意味著它可以更快地打開和關閉，從而縮短死區時間而不會產生直通電流的風險。這使得馬達控制應用中的運行更高效和更好地優化死區時間。
• 零反向恢復電荷：GaN FET沒有矽MOSFET的體二極體，從而消除了矽元件的反向恢復電荷、減少馬達控制器應用所需的有效死區時間，因為無需考慮體二極體的恢復時間。

提高效率：利用GaN FET實現更高效、更小的馬達控制設計

死區時間長期以來一直是電力電子設計中的一個重要考慮因素。然而，隨著 GaN FET的出現，這種妥協正在成為過去。通過實現更短的死區時間，GaN FET可降低損耗、改善控制和提高馬達控制應用的效率。雖然GaN FET不能完全消除死區時間，但GaN FET在减輕死區時間的影響和釋放電力電子設計潜力方面向前邁出了重要一步。

如果您想改革馬達控制器設計，請邁出下一步和探索利用氮化鎵技術實現全新設計的潜力。如需進一步協助，請與我們的GaN專家聯繫。

Andrea Gorgerino, Director of Global Field Application Engineering