新興的電子應用要求電機設計能夠從更緊湊的平臺中獲得更高的性能。設計人員很難滿足基于傳統硅 MOSFET 和 IGBT 的電機驅動器電路的新要求。隨著硅技術達到功率密度、擊穿電壓和開關頻率的理論極限，設計人員更難控制功率損耗。這些限制的主要影響是在高工作溫度和高開關速率下的次優效率和額外的性能問題。

考慮在 ≥ 40 kHz 的開關頻率下運行的硅基功率器件。在這些條件下，開關損耗大于傳導損耗，對總功率損耗產生連鎖效應。散發產生的多余熱量需要散熱器，從而增加了解決方案的重量、占地面積和成本。基于氮化鎵 (GaN) 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件具有卓越的電氣特性，是高壓和高開關頻率電機控制應用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。我們在這里的討論集中在 GaN HEMT 晶體管在高功率密度電動機應用的功率和逆變器級中提供的優勢。

氮化鎵的好處

氮化鎵是一種寬帶隙 (WBG) 材料。因此，它的禁帶（對應于電子從價帶傳遞到導帶所需的能量）比硅更寬：約 3.4 電子伏特，而硅則??為 1.12 eV。GaN HEMT 更高的電子遷移率轉化為更快的開關速度，因為通常在接頭中積累的電荷可以更快地分散。GaN 可實現更快的上升時間、更低的漏源導通電阻 (RDS(on)) 值以及更低的柵極和輸出電容，所有這些都有助于其低開關損耗和在高達 10 倍的開關頻率下工作的能力。硅。降低功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱、

圖 1：GaN 和硅

晶體管的整體器件損耗（圖片：德州儀器）

在高開關頻率下運行的可能性使解決方案能夠減少占用空間、重量和體積，避免使用電感器和變壓器等笨重組件。圖 1 顯示了隨著開關頻率升高，采用硅和氮化鎵技術構建的功率器件的傳導和開關損耗趨勢線。對于這兩種材料，傳導損耗保持不變，而開關損耗增加。但是隨著開關頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開關損耗仍然明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT 的開關損耗，并且開關頻率越高，差異變得越明顯。

GaN HEMT 與傳統硅器件相比的主要優勢是：

更高的壓擺率（dV/dt 為 100 V/ns 或更高），進而支持更快的開關速率，從而降低開關損耗；

接近零的反向恢復電荷（因為 GaN HEMT 沒有本征體二極管，因此不需要反并聯二極管，并且降低了功率損耗和電磁干擾 [EMI] 效應）；

在較高溫度（高達約 300 °C）下完全運行而不影響開關能力；

更高的擊穿電壓（600 V 以上）；

在給定的開關頻率和電機電流下，開關損耗是硅 MOSFET 的 10% 到 30%；和

更高的效率、更小的占地面積和更輕的重量。

所有這些特性都有利于在高壓和高頻電動機的驅動器設計中使用 GaN HEMT 器件。借助 GaN HEMT，設計人員可以構建具有與硅基設計相同的輸出特性但尺寸更緊湊且功率吸收更低的電動機。

高性能電機驅動

低電壓、低電感、高轉速無刷電機需要典型開關頻率在 40 kHz 到 100 kHz 之間的驅動電路，能夠最大限度地減少電機扭矩的損失和變化。驅動交流電機的常見解決方案，如圖 2 所示，包括 AC/DC 轉換器、DC 電路（在圖 2 中由電容器表示）和 DC/AC 轉換器（逆變器）。第一級通常基于二極管或晶體管，將 50-Hz/60-Hz 主電壓轉換為近似的直流電壓，隨后經過濾波并存儲在直流電路中，供逆變器以后使用。最后，逆變器將直流電壓轉換為三個正弦脈寬調制 (PWM) 信號，每個信號驅動一個電機相位。

圖 2：典型電機驅動器解決方案的簡化框圖
（圖片：德州儀器）

直流電路過濾來自 AC/DC 轉換器的電壓和電流，抑制可能損壞逆變器晶體管的電壓瞬變，減少可能損壞逆變器晶體管的感應電流，穩定提供給負載的電壓，并提高整體效率。電容器必須在特別關鍵的條件下運行，例如高轉換率和高電壓峰值。因此，設計人員應仔細選擇電容器以確保所需的高壓特性——例如，選擇賤金屬電極 (BME) 電容器。

集成電源解決方案

再次參考圖 2，GaN HEMT 晶體管通常用于實現電機驅動器逆變器級，這是高壓和高頻電機驅動器解決方案的最關鍵點。如今，幾種基于 GaN 技術的集成器件已上市。

例如，Navitas Semiconductor 的 NV6113 集成了 300-mΩ、650-V 增強型 GaN HEMT；柵極驅動器；和相關邏輯，全部采用 5 × 6 毫米 QFN 封裝。NV6113 可承受 200 V/ns 的壓擺率，并以高達 2 MHz 的頻率運行。該器件針對高頻和軟開關拓撲進行了優化，創建了一個易于使用的“數字輸入、電源輸出”高性能動力系統構建塊。電源 IC 將傳統拓撲（例如反激式、半橋式和諧振型）的功能擴展到兆赫茲以上的開關頻率。NV6113 可以部署為典型升壓拓撲中的單個設備，也可以并聯使用在流行的半橋拓撲中。

德州儀器 (TI) 擁有廣泛的 GaN 集成功率器件產品組合。例如，LMG5200 集成了一個基于增強型 GaN FET 的 80V GaN 半橋功率級。該器件由兩個 GaN FET 組成，由一個采用半橋配置的高頻 GaN FET 驅動器驅動。為了簡化該器件的設計，TI 提供了 TIDA-00909，這是一種用于使用三相逆變器和三個 LMG5200 的高頻電機驅動器的參考設計。TIDA-00909 提供了一個兼容接口，用于連接到 C2000 MCU LaunchPad 開發套件，以便于進行性能評估。

圖 3：TIDA-00909 框圖
（圖片：德州儀器）

圖 3 是三相 GaN 逆變器的系統框圖。紅色虛線定義了 TIDA-00909 的邊界。三個逆變器半橋中的每一個都采用集成的 80V、10A GaN 半橋模塊 (LMG5200)；5-mΩ 相電流分流器；和一個差分電流檢測放大器 (INA240)，增益為 20V/V，中點電壓為 1.65V，由 3.3V 基準 (VREF3333) 設置。

包括 GaN HEMT 在內的寬帶隙半導體的商業可用性使設計人員能夠創建高效可靠的逆變器級來驅動高功率密度電動機。與硅基 MOSFET 和 IGBT 相比，GaN HEMT 可實現更高效、更緊湊、更輕、更經濟的驅動器。

審核編輯：劉清