氮化鎵如何革新電機驅動應用
技術分享雜談GaN技術 – Marco Palma
二月 09, 2021
重新思考平凡並克服心理偏見
馬達驅動應用涵蓋多個市場：工業、家電和汽車。不論是哪個市場，當新技術被提出時，都會面臨採用上的阻力；畢竟，人類天性是固守已知並抗拒改變。
這正是現在的情況——GaN技術對馬達應用來說是一個改變遊戲規則的技術。對新技術的抵制表現為競爭對手提出的設計複雜性、可靠性問題，特別是在馬達驅動方面，還有安全性和EMI挑戰。在這篇文章中，我將揭穿這些神話，並展示為什麼GaN正在革新馬達驅動應用。
開關中的CRSS效應：如何用GaN獲得對馬達友好的dv/dt
在處理新技術時，如最新的MOS、GaN和SiC設備，獲得比前幾代更快的開關是很正常的。一種常見的偏見是認為因為GaN設備開關速度非常快，所以門驅動器無法保持控制。實際上，當更仔細地看某個設備時，必須考慮其反向電容(CRSS)特性、其線性度以及其低電壓值和高電壓值之間的比率(CRSSslow/CRSShigh)。
傳統的門驅動是通過電阻將電壓施加到開關的門上。如果CRSSlow/CRSShigh的比值過高，可能會出現以下任一情況：
- 開關在打開事件的開始階段過快，導致高dv/dt
- 開關在打開事件的結束階段過慢，導致拖尾效應和更高的功率損耗
這嵌入在CRSS曲線的多段性質中。
那麼，硅和GaN在實際中如何比較呢？
硅：典型的100 V MOS（BSC027N10NS5）的CRSSlow/CRSShigh = 1500 pF/35 pF = 43
GaN：相應的EPC 100 V eGaN® FET，EPC2022，的CRSSlow/CRSShigh = 300 pF/6 pF = 50
因此，eGaN FET可以比MOS對應物更好地減速，同時保持更低的開關損耗。此外，GaN的換向波形更平滑，因為CRSS曲線比MOSFET更線性。一個額外的優勢是沒有任何內在體二極管的反向恢復，這進一步減少了EMI和聲噪。
圖1：（a）BSC027N10NS5 MOSFET和（b）EPC2022 eGaN FET的電容與電壓關係圖。CRSS(low)/CRSS(high)在0 V和60 V測量時，MOSFET為43，eGaN FET為50。
dv/dt對輻射EMI的影響
GaN逆變器的dv/dt可以減慢以達到每個客戶的需求。那麼，目標是什麼？在高壓馬達應用（即320 V DC總線及以上）中，通常要求絕緣可靠性小於5 V/ns。
儘管有這個限制，在我之前工作的公司中，我們成功推出了FredFET和SuperJunction MOS基智能模塊，開關速度為15 V/ns。這些部件今天銷售數百萬並被馬達驅動客戶廣泛接受。
但是，在電池供電應用中的低壓（即48 V）馬達呢？沒有類似的dv/dt目標，10 V/ns到20 V/ns是相當典型的。這是GaN逆變器在不影響開關損耗的情況下成功達到的dv/dt目標。
但dv/dt是輻射EMI的準確預測指標嗎？答案是是和不是。經過許多小時的EMC無響室工作，我可以說僅通過看dv/dt來預測驅動器的EMI行為是困難的。
常見的「智慧」認為GaN的快速上升和下降時間會產生EMI，這顯然不是真的，這一點硬件工作人員都知道。
那麼，在馬達應用中擁有最快允許的dv/dt有什麼優勢嗎？
實際上，最快的允許dv/dt可以消除死區時間，這在處理GaN逆變器時不再需要。
馬達逆變器中短死區時間的影響
使用GaN逆變器，可以將死區時間減少到10 ns或更少，因此對馬達施加的電壓比具有200 ns或更多死區時間的MOS逆變器具有更低的諧波失真。GaN逆變器的優越線性使得低速運行時的聲音噪聲最低。此外，施加電壓的最低諧波含量反映在馬達電流的更低諧波失真。因此，無死區時間的GaN逆變器導致更少的振動、更少的熱量和更少的EMI。
在電池供電馬達逆變器中提高PWM頻率時的GaN優勢
由於其更低的開關損耗和更平滑的開關，GaN逆變器可以輕鬆在100 kHz PWM頻率下運行。直接結果是電池電纜上的電壓和電流波動大大減少，因此不需要基於電解電容器的LC輸入濾波器。簡單的22 uF陶瓷電容器可以替換一個330 uF（有時兩個）笨重的電解電容器，從而節省成本、提高效率、可靠性和使用壽命。
100 kHz頻率範圍是陶瓷電容器表現出最低ESR的範圍。在100 kHz時，陶瓷電容器是GaN逆變器的最佳去耦伴侶。
在EPC9146評估板上的一些實際測量
在我的實驗室中，我運行了EPC9146評估板，使用EPC2152 ePower™ Stage IC，未使用濾波器，並測量到在馬達端子處最快的換向速度為15 V/ns。死區時間可以減少到10 ns，PWM頻率從20 kHz提高到100 kHz，使用22 uF陶瓷電容器在100 kHz時相比20 kHz時使用一個330 uF的電解電容器，電池電纜上的電壓和電流波動更低。
下面的兩個視頻展示了如何使用GaN增加功率密度並減少馬達驅動設計中的可聞噪音。
結論——GaN正在創新之路上
隨著GaN設備的採用繼續加速，意識到其產品即將變得無關緊要的傳統MOSFET製造商通過恐嚇策略鼓勵設計師堅持一貫的做法。然而，GaN的承諾效益在實際電路設計中很容易實現。隨著設備變得更小、更快、更可靠且價格相當，越來越難以找到不使用GaN FET和IC的理由——這是一項走在創新之路上的技術！