本篇GaN Talk博客讨论了使用基于GaN的逆变器替代硅基逆变器在电机驱动设计中的优势，这些优势包括运行更平滑，同时减小体积和重量。这些优势对于典型应用中的电机驱动至关重要，例如仓储与物流机器人、伺服驱动、电动自行车和电动滑板车、协作和低电压机器人及医疗机器人、工业无人机和汽车电机。

Omdia预测，全球仓储和物流机器人出货量将在未来五年内从2018年的194,000台迅速增长到2022年的每年938,000台，增长速度在2021年后放缓，因为到那时许多主要参与者将已采用机器人系统。该类别的全球收入将从2018年的83亿美元增长到2022年的308亿美元，为既有参与者和新兴企业提供了显著的机会。

GaN优势

GaN FETs和ICs相比等效规格的硅MOSFET开关更快更平滑，并且没有反向恢复。这种更快更好的开关特性允许在逆变器设计中以更高的开关频率运行，从而消除电解电容。此外，GaN可以在最小的死区时间内运行，从而增加从电机获得的每安培有效转矩，使电机更高效。此外，GaN允许将逆变器与电机集成，从而减少系统的总体体积和重量。表1显示了EPC GaN FETs与具有相似R_DS(on)值的MOSFETs的比较。

在典型的电机设计中，PWM频率在20到40 kHz之间，死区时间在100 ns到500 ns之间。输入电缆至少可以长达10到20厘米，并成为EMI的源头（导电或辐射）。因此，在传统的电机驱动设计中，通常会添加输入EMI LC滤波器。我们将证明，这在基于GaN的电机驱动设计中可以被消除。

电容选择

在比较电解电容和陶瓷电容时，请记住，电容器中的RMS电流不取决于PWM频率，而电压纹波与PWM频率和电容成反比。因此，电解电容根据RMS电流大小进行选择。它们被过度设计，其值不会随PWM频率改变。陶瓷电容根据电压纹波大小进行选择，并与所需的最小电容值相一致。其值和尺寸随着PWM频率的增加而减少。100 kHz操作是陶瓷电容ESR的最佳点。这表明陶瓷电容在占用体积、可靠性、成本和EMI方面具有明显优势。

死区时间效应

在图1的左侧，显示了在20 kHz PWM下500 ns死区时间对电机的影响。电流中有六个不连续点，用橙色圆圈标出。这些不连续点是扭矩中第六次谐波的原因。它是偶次谐波，因此只会产生振动。

在图1的右侧，通过将死区时间减少到14 ns，不连续点消失，第六次谐波也消失了。

在图2中，扭矩信号通过扭矩/速度传感器获得，并用FFT进行分析。当死区时间为500 ns时，左侧的扭矩信号中的第六次（偶数）谐波在右侧将死区时间减少到14 ns的设置中完全消失。

在EPC意大利电机驱动实验室，进行了进一步评估这些差异的实验。两个系统，都在36 V_DS，5 A_RMS和400 RPM下运行进行比较。设置1使用2个330 µF电解电容和1个2.7 µH输入电感器，以20 kHz和500 ns死区时间运行，典型的传统硅MOSFET电机驱动。设置2在100 kHz、14 ns死区时间下运行，使用2个22 µF陶瓷电容且没有输入电感器，这只有使用GaN才能实现。

表2总结了两个设置的总体影响。通过在100 kHz下运行，GaN逆变器允许使用陶瓷电容代替笨重的电解电容。通过减少死区时间，可以获得更多的每安培转矩，使电机更高效，从而使整个系统更高效。高频设置将整个系统效率从65.3%提高到71.8%。

结论

更快更好的GaN FETs和ICs开关性能允许逆变器在更高的开关频率下运行，从而消除电解电容。此外，GaN可以在最小的死区时间内运行。这种死区时间的减少增加了从电机获得的每安培有效转矩，使电机更高效，并允许将逆变器与电机集成，从而进一步减少系统的总体体积和重量。这些优势对于eMobility解决方案、机器人和无人机使用的电机驱动至关重要。

要观看此设计实验的视频，请访问EPC YouTube频道，并订阅以了解所有最新的GaN设计和应用视频。

Marco-Palma