本篇GaN Talk博客討論了使用基於GaN的逆變器而不是基於硅的逆變器在馬達驅動設計中的優勢，這些優勢使運行更平滑，同時減小尺寸和重量。這些優勢對於常見應用中的馬達驅動至關重要，例如倉儲和物流機器人、伺服驅動、電動自行車和電動滑板車、協作機器人和低壓機器人以及醫療機器人、工業無人機和汽車馬達。

Omdia預測，全球倉儲和物流機器人的出貨量在未來五年內將快速增長，從2018年的194,000台增加到2022年的每年938,000台，2021年之後增長速度將放緩，因為許多主要玩家屆時已經採用機器人系統。該類別的全球收入將從2018年的83億美元增長到2022年的308億美元，為現有參與者和新興玩家提供了顯著的機會。

GaN的優勢

GaN FETs和ICs的開關速度更快更平滑，並且相比同等規格的硅MOSFETs沒有反向恢復。這種更快更好的開關性能允許逆變器設計在更高的開關頻率下運行，以消除電解電容。此外，GaN可以在最小的死區時間下運行，這增加了從馬達中獲得的每安培有效扭矩，使馬達更高效。此外，GaN允許將逆變器與馬達集成，從而減少整個系統的尺寸和重量。表1顯示了EPC GaN FETs與相似R_DS(on)等級的MOSFETs的比較。

在典型的馬達設計中，PWM頻率在20到40 kHz之間，死區時間在100 ns到500 ns之間。輸入電纜可以至少10到20厘米長，並成為EMI的來源，無論是傳導的還是輻射的。因此，在傳統的馬達驅動設計中，通常會添加一個輸入EMI LC濾波器。我們將展示這在基於GaN的馬達驅動設計中是可以消除的。

電容選擇

在比較電解電容和陶瓷電容時，請記住，電容中的RMS電流不依賴於PWM頻率，而電壓紋波與PWM頻率和電容成反比。因此，電解電容的尺寸取決於RMS電流。它們超大，且其值不隨PWM頻率改變。陶瓷電容的尺寸取決於電壓紋波，並與所需的最小電容相一致。隨著PWM頻率的增加，它們的值和尺寸減少。100 kHz操作是陶瓷電容ESR的最佳點。這顯示了陶瓷電容在佔用體積、可靠性、成本和EMI方面的明顯優勢。

死區時間效應

圖1左側顯示了在20 kHz PWM下500 ns死區時間對馬達的影響。有六個電流不連續點，用橙色圈起來了。這些不連續點導致扭矩中的第六次諧波。這是一個偶數諧波，因此只會產生振動。

圖1右側顯示，通過將死區時間減少到14 ns，不連續點消失，第六次諧波也消失了。

在圖2中，扭矩信號通過扭矩/速度傳感器獲得並用FFT分析。當死區時間為500 ns時，左側的扭矩信號中存在第六次（偶數）諧波，當死區時間減少到14 ns時，在右側設置中完全不存在。

在EPC意大利馬達驅動實驗室中，進行了一項實驗以進一步評估這些差異。比較了兩個系統，均在36 V_DS、5 A_RMS和400 RPM下運行。設置1使用2個330 µF電解電容和1個2.7 µH輸入電感器，運行在20 kHz下，死區時間為500 ns，這是傳統硅MOSFET馬達驅動的典型設定。設置2在100 kHz下運行，死區時間為14 ns，使用2個22 µF陶瓷電容且無輸入電感器，這只有在使用GaN時才可實現。

表2總結了這兩種設置的整體影響。通過在100 kHz下運行，GaN逆變器允許使用陶瓷電容代替體積龐大的電解電容。通過減少死區時間，可以獲得更多的每安培扭矩，使馬達更高效，從而使整個系統更高效。高頻設置將整個系統效率從65.3％提高到71.8％。

結論

GaN FETs和ICs更快更好的開關性能允許逆變器在更高的開關頻率下運行，以消除電解電容。此外，GaN可以在最小的死區時間下運行。這種死區時間的減少增加了從馬達中獲得的每安培有效扭矩，使馬達更高效，並允許將逆變器與馬達集成，進一步減少整個系統的尺寸和重量。這些優勢對於eMobility解決方案、機器人和無人機中的馬達驅動至關重要。

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Marco Palma, Director of Motor Drives Systems and Applications