减少使用eGaN FET和IC的电机驱动设计中的可闻噪声
技术分享GaN技术杂谈 – Renee Yawger
1月 15, 2021
无刷直流(BLDC)电机在机器人、电子移动设备和无人机中越来越受欢迎,并且应用越来越广泛。这些应用有一些特殊的要求,比如重量轻、体积小、低转矩波动、低噪音以及极高的精度控制。为了满足这些需求,驱动电机的逆变器需要以更高的频率运行,但这需要先进的技术来减少由此产生的更高功率损耗。增强型氮化镓(eGaN®)晶体管和集成电路能够在很高的频率下运行,而不会产生显著的损耗。
在某些电机应用中,例如无人机,安静的运行是一个至关重要的要求。无人机电机和螺旋桨产生的噪音在用于拍摄视频时尤为麻烦,因为噪音会淹没用户试图捕捉的声音。此外,考虑一个可能的军事应用,使用群体无人机进行情报、监视和侦察。在这种情况下,多个无人机一起飞行时,尽可能安静的操作是非常理想的。
为了实现这些应用所需的安静电机运行,GaN的高开关频率能力是必不可少的。eGaN器件允许电机驱动逆变器设计达到100 kHz以上的高频率,而硅设计通常运行在10 - 20 kHz左右。在这种更高的频率下,可以显著减少死区时间,从而显著降低电机的可听噪音。
视频中展示的设计是一个三相逆变器,从48V直流电源电压运行,同时以40 kHz开关频率驱动一个空载的150 W NEMA我们电机。它可以在20 kHz到1 MHz的开关频率下运行,并在连接散热器时向电机的每相输出15 A的峰值电流。电路板尺寸仅为45 mm x 55 mm。
展示的逆变器设计使用了EPC2152单片ePower™级集成器件,它集成了两个70V,10 mΩ的主FET和一个自包含的半桥栅极驱动器,优化用于驱动FET。在视频中,可以清楚地听到当设计的死区时间设置为1微秒和设置为50纳秒时电机的声学差异。通过设置50纳秒及以下的死区时间(这只有在GaN的情况下才能实现),可以实现非常安静的运行。