高效能電機驅動低成本運行於電動自行車、無人機及機器人，搭配氮化鎵場效電晶體（GaN FETs）
技術分享雜談GaN技術 – Marco Palma
三月 04, 2022
移動性是所有經濟體的重要驅動因素。電子移動性（或 e-Mobility）是一種清潔且具影響力的方式，可以在不增加環境壓力的情況下保持商業運轉，避免低效能引擎或燃燒化石燃料引擎對我們星球造成的損害。對於高效且緊湊的電機驅動設計需求日益增加。EPC 的基於 GaN 的電機驅動參考設計正在開發中，以啟動支持這一趨勢的競爭性和環保替代方案。
EPC9167 和 EPC9167HC參考設計使用氮化鎵 FET 解決方案，以實現電動自行車逆變器的最佳性能。基於 GaN 的電機驅動的顯著優勢包括：
- 更低的失真，降低聲音噪音
- 更低的電流波動，減少磁損耗
- 更低的扭矩波動，提高精度
- 更少的過濾，降低成本
EPC9167 板的更輕重量和更小尺寸使驅動器能夠集成到電機外殼中，並支持低電感、高功率密度的電機。
EPC9167 是由六個EPC2065 eGaN FET 組成的三相逆變器。EPC9167HC 採用了十二個 EPC2065，每個開關並聯兩個，以將等效 RDS(on)減半。兩個板都是三相逆變器，能夠達到 1 kW 的運行能力；當 EPC9167HC 以 48 VDC電源電壓供電時，可以在無散熱片的情況下，每相提供 18 ARMS，且從 eGaN FET 殼體到環境的溫升僅為 50°C，有散熱片時，每相可連續提供 25 ARMS，峰值運行可達 35 ARMS。
氮化鎵（GaN）器件技術具有卓越的高電子遷移率和低溫度係數。EPC2065 eGaN® FET 具有低 RDS(on) 2.7 mΩ（@25°C）。此外，eGaN 器件的橫向結構和缺乏內在體二極體在反向導通時提供了極低的柵電荷 QG和零反向恢復電荷 QRR。與具有類似 RDS(on)的硅 MOSFET 相比，eGaN FET 具有五倍更低的開關損耗，因此逆變器可以在更高的 PWM 頻率和較低的死區時間下運行。
高 PWM 頻率和低死區時間允許設計者在直流鏈路中使用陶瓷電容器，從而提高可靠性並減少成本和尺寸。通常在傳統的電動自行車設計中，電池和逆變器之間會插入 LC 濾波器以符合電磁排放規範。當 EPC9167 在 100 kHz 下使用時，可以去除輸入濾波器。
此外，EPC 的 eGaN FET 解決方案以晶圓級芯片封裝（CSP）提供，通過插入漏極和源極連接並直接將芯片焊接到印刷電路板上，減少公共源極和功率迴路的寄生電感。小尺寸使得在板上插入六個或十二個 EPC2065 成為可能，提供高功率密度。EPC9167 板的尺寸僅為 130 x 100 mm（包括連接器）。
EPC9167 EPC9157HC 板的照片概覽，突出顯示主要部分。
參考設計板可以用於無感測或有感測的電機控制。快速入門指南（QSG）提供了這些參考設計的所有設計細節。
對 eMobility 的日益需求促使了對高效且緊湊的電機驅動的需求。基於 GaN 的逆變器提高了電機效率，同時減少了其尺寸、重量和成本，並提供與使用硅 MOSFET 逆變器的昂貴電機相同的性能；這使得電機系統更小、更輕、更安靜、具有更高扭矩、更大範圍和更高精度。欲了解更多關於 EPC9167 的信息，這份綜合應用說明書進一步描述了參考設計和性能結果。