GaN 如何革新电机驱动应用

技术分享GaN技术杂谈 – Marco Palma 2月 09, 2021

重新思考普通事物并克服心理偏见

电机驱动应用涵盖了多个市场：工业、家电和汽车。无论市场如何，新技术提出时都会面临采用的阻力；毕竟，人类天生倾向于坚持已知事物并抗拒改变。

现在正在发生的事情是——GaN技术对电机应用来说是一个颠覆性改变。对新技术的抵制表现为竞争对手设计的复杂性、可靠性问题，以及在电机驱动的情况下，安全和EMI挑战的恐吓战术。在这篇文章中，我将揭穿这些神话，展示为什么GaN正在革命电机驱动应用。

开关中的C_RSS效应：如何用GaN实现电机友好的dv/dt

在处理新技术时，如最新的MOS、GaN和SiC器件，获得比上一代更快的开关是很正常的。一个常见的偏见是认为因为GaN器件开关速度非常快，门极驱动器无法保持控制。实际上，当仔细观察某个器件时，必须考虑其反向电容（C_RSS）特性、线性度以及其低压值和高压值（C_RSSslow/C_RSShigh）之间的比率。

传统的门极驱动是通过电阻向开关的门极施加电压。如果C_RSSslow/C_RSShigh的比值过高，可能会出现以下情况：

开关在开启事件开始时太快，导致高dv/dt
开关在开启事件结束时太慢，导致尾效应和更高的功耗

这体现在C_RSS曲线的多段性质中。

那么，硅和GaN在现实中如何比较？

硅：典型的100V MOS（BSC027N10NS5）的C_RSSslow/C_RSShigh=1500pF/35pF=43

GaN：相应的EPC 100V eGaN^® FET，EPC2022的C_RSSslow/C_RSShigh=300pF/6pF=50

因此，eGaN FET可以比MOS对手更好地减慢开关速度，同时保持较低的开关损耗。此外，GaN的换向波形更平滑，因为C_RSS曲线比MOSFET更线性。另一个优点是没有任何内在体二极管的反向恢复，进一步减少了EMI和噪声。

图1： (a) BSC027N10NS5 MOSFET 和 (b) EPC2022 eGaN FET的电容与电压的关系。在0V和60V时测量的C_RSS(low)/C_RSS(high)比值为MOSFET的43和eGaN FET的50。

dv/dt对辐射EMI的影响

在GaN逆变器中可以减慢dv/dt以满足每个客户的需求。那么问题来了；目标是什么？在高电压电机应用中（即320V DC总线及以上），常见要求是小于5V/ns以保证绝缘可靠性。

尽管有这个限制，在我以前工作的公司中，我们成功发布了以15V/ns开关的FredFET和SuperJunction MOS智能模块。这些零件今天以数百万计销售，并被电机驱动客户广泛接受。

但对于低电压（即48V）电池驱动的电机呢？没有类似的dv/dt目标，10V/ns到20V/ns是相当典型的。这是GaN逆变器在不影响开关损耗的情况下成功达到的dv/dt目标。

但是，dv/dt是辐射EMI的准确预测指标吗？答案是是和不是。在EMC无响室中花费了很多时间后，我可以说，仅通过查看dv/dt很难预测驱动器的EMI行为。

一个常见的“智慧”是认为GaN的快速上升和下降时间会产生EMI，这显然是不正确的，这是硬件工作者众所周知的。

但在电机应用中允许的最快dv/dt是否有任何优势？

实际上，允许的最快dv/dt可以消除死区时间，这在处理GaN逆变器时不再需要。

电机逆变器中短死区时间的影响

使用GaN逆变器，可以将死区时间减少到10ns或更少，从而应用于电机的电压比MOS逆变器的200ns或更多的死区时间具有更低的谐波失真。GaN逆变器的卓越线性允许最低的噪声操作，特别是在低速时。此外，所施加电压的最低谐波含量反映在电机电流的较低谐波失真上。因此，具有无死区时间的GaN逆变器导致更少的振动、更少的热量和更少的EMI。

在电池驱动的电机逆变器中增加PWM频率的GaN优势

GaN逆变器可以轻松在100kHz PWM频率下工作，得益于其较低的开关损耗和允许dv/dt下的更平滑开关。一个直接结果是电池电缆上的电压和电流波纹大幅减少，因此不需要任何基于电解电容的LC输入滤波器。一个简单的22uF陶瓷电容可以替代一个330uF（有时两个）笨重的电解电容，从而节省成本，提高效率、可靠性和寿命。

100kHz频率范围是陶瓷电容表现出最低ESR的地方。在100kHz，陶瓷电容是GaN逆变器的最佳去耦伴侣。

一些在EPC9146评估板上的实际测量

在我的实验室中，我运行了EPC9146评估板，使用EPC2152 ePower™ Stage IC没有滤波器，测量了电机端子最快换向时15V/ns dv/dt。死区时间可以减少到10ns，PWM频率从20kHz增加到100kHz，使电池电缆上的电压和电流波纹在100kHz时使用22uF陶瓷电容比在20kHz时使用一个330uF电解电容更低。

下面的两个视频展示了使用GaN如何在电机驱动设计中增加功率密度和减少可听噪声。