利用氮化镓器件消灭电机驱动设计的死区时间

在电源转换领域，死区时间是设计中必需但又繁琐的一部分，迫使工程师做出让步以确保系统的可靠性。然而，最近的技术发展，特别是氮化镓(GaN)FET的出现，正在挑战这个现状。在本博客中，我们深入研究了死区时间对电机驱动性能的影响和 GaN FET如何重塑电力电子设计的格局。

了解死区时间

死区时间是指关断一个功率器件和接通另一个功率器件之间所需的延迟时间，对于防止同时接通和潜在短路至关重要。例如在同步降压转换器中，如果两个器件接通时间重叠，可能导致额外的损耗、更高的工作温度，甚至在极端情况下出现故障。

由控制器插入控制死区时间可确保正有效死区时间。计算死区时间是复杂的，需要考虑传播延迟、栅极电阻值和FET开关时间等因素。与硅MOSFET相比，由于氮化镓器件没有体二极管反向恢复和开关更快，因此需要更小的死区时间，从而成为高性能应用的绝佳选择。

电机驱动器的死区时间

电机驱动器的死区时间会显着影响效率，但由于一些细微的原因，需要仔细研究逆变器和电机的相互作用。

死区时间的主要影响之一是零电流交叉期间产生的失真。这是因为在死区时间内，逆变器桥臂的高侧和低侧器件均关闭，因此施加到电机的实际电压取决于电流向。在零电流交叉期间，该电压突然改变电流向，产生电压失真，从而导致电机电流波形中产生高次谐波。这些电流不会产生任何有用的扭矩，但会导致电机绕组的损耗增加，以及降低整体效率，如图1所示。

缩短电机驱动器的死区时间对于提高效率至关重要。 通过最大限度地縮小死区时间可以减少失真，从而实现更平滑的电流波形和更低的功耗，最终提高电机效率和整体系统性能，如图 2 所示。

基于氮化镓器件的电机驱动器：改变市场游戏规则

与通常使用硅基元件的传统电机驱动器相比，基于氮化镓器件的电机驱动器具有多种主要优势，包括：

• 效率更高：与硅MOSFET 相比，GaN FET具有更低的导通电阻和开关更快，以减少传导和开关损耗，从而提高电机驱动器的整体效率。
• 更小和更轻：GaN FET可在更高的频率下工作，从而允许使用更小的无源元件，例如电感器和电容器。更小和更轻的元件意味着基于氮化镓器件的电机驱动器可以更小和更轻。
• 更高的功率密度：基于氮化镓器件的电机驱动器尺寸更小，可实现更高的功率密度，这意味着可以在更小的占板面积上实现更高的功率。这对于空间有限的应用尤其有利。
• 更快的响应时间：GaN FET更快的开关速度使电机驱动器的响应时间更快，从而提高系统的动态性能和响应能力。

基于氮化镓器件的电机驱动设计实例

基于氮化镓器件的电机驱动器的优势使其非常适合需要高效率、小尺寸和高可靠性的各种电机驱动应用。一些具体应用包括：

• 电动出行：基于氮化镓器件的电机驱动器可提高电动自行车、电动滑板车和小型自动导引车(AGV)的效率，这对于延长这些电动运输系统的行驶里程至关重要。氮化镓器件可以在更高的频率下工作，从而让设计者可实现更小、更轻、具有更高的功率密度的系统。
• 工业自动化：基于氮化镓器件的电机驱动器可以提高工业自动化应用的电机控制系统的效率和可靠性。由于GaN FET具有更快的响应时间，因此可提高自动化流程的精度和速度。
• 机器人/协作机器人：与传统硅基驱动器相比，GaN FET具有更高的效率、更快的响应时间和更小的尺寸，从而可提高机器人系统的整体性能、能效和縮小尺寸。
• 无人机：高效率、快速响应时间和小尺寸等优势也使GaN FET成为无人机应用的理想器件。这些优势可以延长无人机的飞行时间、提高机动性和有效载荷能力。
• 医疗设备：基于氮化镓器件的电机驱动器可用于医疗设备，例如手术机器人和医学成像设备，以提高性能和可靠性。由于GaN FET具备更快的响应时间优势，因此可提高这些设备的精度和准确度，而其更高的工作温度则可确保医疗环境中各种应用的可靠性。

高性能氮化镓器件可优化电机驱动器的死区时间

与传统硅基元件相比，氮化镓器件能够更好地优化电机驱动应用的死区时间，这主要是因为它具有卓越的性能特征。

• 开关速度：与硅MOSFET 相比，GaN FET 的开关更快。由于GaN FET的关断和开启时间显着缩短，因此可以更精确地控制死区时间。更快的开关可以更严格地控制死区时间。
• 降低栅极电容：与硅MOSFET 相比，GaN FET具有更低的栅极电容。这意味着它可以更快地打开和关闭，从而缩短死区时间而不会产生直通电流的风险。这使得电机驱动应用中的运行更高效和更好地优化死区时间。
• 零反向恢复电荷：GaN FET没有硅MOSFET的体二极管，从而消除了硅器件的反向恢复电荷、减少电机驱动应用所需的有效死区时间，因为无需考虑体二极管的恢复时间。

提高效率：利用GaN FET实现更高效、更小的电机驱动设计

死区时间长期以来一直是电力电子设计中的一个重要考虑因素。然而，随着 GaN FET 的出现，这种妥协正在成为过去。通过实现更短的死区时间，GaN FET可降低损耗、改善控制和提高电机驱动应用的效率。虽然GaN FET不能完全消除死区时间，但GaN FET在减轻死区时间的影响和释放电力电子设计潜力方面向前迈出了重要一步。

如果您想改革电机驱动设计，请迈出下一步和探索利用氮化镓技术实现全新设计的潜力。如需进一步协助，请与我们的GaN专家联系。

Andrea Gorgerino, Director of Global Field Application Engineering