推動更高效的能源利用、更嚴格的監管要求以及研發了冷卻操作的技術都能夠實現減少電動機的功耗，雖然硅 MOSFET 等開關技術已得到廣泛應用，但它們通常無法滿足關鍵逆變器應用更苛刻的性能和效率目標。

相反，設計人員可以使用氮化鎵 (GaN) 來實現這些目標，氮化鎵是一種寬帶隙 (WBG) FET 器件技術，在成本、性能、可靠性和易用性方面都得到了改進和進步。GaN器件是主流，已成為中檔功率逆變器的首選。

什么是逆變器?

逆變器產生并調節驅動電機的電壓波形，通常是無刷直流(BLDC) 類型。它控制電機速度和扭矩，以實現平穩啟動和停止、反向和加速率等要求。盡管負載發生變化，逆變器必須確保實現并維持所需的電機性能。

具有變頻輸出的電機逆變器不應與交流線路逆變器混淆。后者從汽車電池等電源獲取直流電，以提供固定頻率的 120/240 V 交流波形，該波形近似于正弦波，可以為線路操作設備供電。

GaN 器件相對于硅具有吸引人的特性，包括更高的開關速度、更低的漏源導通電阻 (RDS(ON)) 和更好的熱性能。較低的 RDS(ON) 使它們能夠用于更小更輕的電機驅動器，并減少功率損耗，從而節省電動自行車和無人機等應用的能源和成本。

較低的開關損耗可實現更高效的電機驅動器，延長輕型電動汽車的續航里程。更快的開關速度可實現低延遲電機響應，這對于需要精確電機控制的應用(例如機器人)至關重要。GaN FET 還可用于開發更強大、更高效的叉車電機驅動器。GaN FET 的更高電流處理能力使它們能夠用于更大、更強大的電機。

最終應用的底線優勢是減小尺寸和重量、提高功率密度和效率以及更好的熱性能。

GaN入門講解

任何電源開關器件的設計，尤其是中檔電流和電壓的器件，都需要關注器件的最小細節和獨特特性。GaN 器件有兩種內部結構選擇：耗盡型 (d-GaN) 和增強型 (e-GaN)。d-GaN 開關通常處于“開啟”狀態，需要負電源；設計成電路更加復雜。相比之下，e-GaN 開關通常是“關閉”晶體管，這導致電路架構更簡單。

GaN 器件本質上是雙向的，一旦其兩端的反向電壓超過柵極閾值電壓，就會開始導電。此外，由于它們在設計上無法以雪崩模式運行，因此具有足夠的電壓額定值至關重要。對于降壓、升壓和橋式直流轉換拓撲，在總線電壓高達 480 V 時，600 V 的額定值通常就足夠了。

盡管 GaN 開關的基本開關功率開關功能很簡單，但它們是功率器件，因此設計人員必須仔細考慮開通和關斷驅動要求、開關時序、布局、寄生效應的影響、電流控制流動，電路板上的電流電阻 (IR) 下降。

對于許多設計人員來說，評估套件是了解 GaN 器件功能以及如何使用它們的最有效方法。這些套件使用不同配置和功率級別的單個和多個 GaN 器件。它們還包括相關的無源元件，包括電容器、電感器、電阻器、二極管、溫度傳感器、保護器件和連接器。

EPC2065 是低功耗 GaN FET 的極佳示例。其漏源電壓 (VDS) 為 80 V，漏極電流 (ID) 為 60 安培 (A)，RDS(ON) 最大值為 3.6 毫歐 (mΩ)。它僅以帶焊條的鈍化芯片形式供應，尺寸為 3.5 × 1.95 毫米 (mm)。

與其他 GaN 器件一樣，EPC2065 的橫向器件結構和多數載流子二極管可提供極低的總柵極電荷 (QG) 和零反向恢復電荷 (QRR)。這些屬性使其非常適合需要非常高的開關頻率(高達數百千赫茲)和低導通時間的情況，以及那些通態損耗占主導地位的情況。

兩個類似的評估套件支持該器件：用于 20 A/500 W 運行的 EPC9167KIT 和用于 20 A/1 千瓦 (kW) 運行的更高功率 EPC9167HCKIT(圖 2)。兩者都是三相BLDC 電機驅動逆變器板。

基本 EPC9167KIT 配置為每個開關位置使用單個 FET，每相可提供高達 15 ARMS(標稱值)和 20 ARMS(峰值)的電流。相比之下，電流較高的 EPC9167HC 配置在每個開關位置使用兩個并聯 FET，可提供高達 20 ARMS/30 ARMS(標稱/峰值)輸出電流的最大電流，這證明了 GaN FET 的并聯配置相對容易更高的輸出電流。圖 3 顯示了基礎 EPC9167 板的框圖。

EPC9167KIT 包含支持完整電機驅動逆變器的所有關鍵電路，包括柵極驅動器、用于內務電源的穩壓輔助電源軌、電壓檢測、溫度檢測、電流檢測和保護功能。

EPC9167 可與多種兼容控制器配對，并得到多家制造商的支持。它可以利用現有資源快速配置為電機驅動逆變器，實現快速開發。

獲得更高的功率

功率處理范圍的另一端是 EPC2302，這是一款 GaN FET，額定值為 100 V/101 A，最大 RDS(ON) 為 1.8 mΩ。它非常適合 40 至 60 V 的高頻 DC-DC 應用和 48 V BLDC 電機驅動器。與 EPC2065 使用的帶焊條的鈍化芯片封裝不同，這款 GaN FET 采用 3 × 5 mm 的低電感 QFN 封裝，頂部裸露，可實現卓越的熱管理。

外殼頂部的熱阻很低，僅為每瓦 0.2°C，這可實現出色的熱性能并緩解冷卻挑戰。其裸露的頂部增強了頂部熱管理，而側面可潤濕的側面可確保整個側焊盤表面在回流焊接過程中被焊料潤濕。這可保護銅并允許在此外部側面區域進行焊接，以便于進行光學檢查。

EPC2302 的占位面積不到同類最佳硅 MOSFET 的一半，且 RDS(on) 和額定電壓相似，而其 QG 和 QGD 則明顯較小，且其 QRR 為零。這可降低開關損耗和柵極驅動器損耗。EPC2302 的死區時間很短，僅為數十納秒 (ns)，可提高效率，而其零值 QRR 可提高可靠性并最大限度地減少電磁干擾 (EMI)。

為了測試 EPC2302，EPC9186KIT 電機控制器/驅動器電源管理評估板支持高達 5 kW 的電機，并可提供高達 150 ARMS 和 212 APEAK 的最大輸出電流(圖 4)。

EPC9186KIT 在每個開關位置使用四個并聯 GaN FET 來實現更高的額定電流，這證明了使用這種方法可以輕松達到更高的電流水平。該板在電機驅動應用中支持高達 100 kHz 的 PWM 開關頻率。它包含支持完整電機驅動逆變器的所有關鍵功能，包括柵極驅動器、穩壓輔助內務電源、電壓和溫度感測、精確電流感測以及保護功能。

電機逆變器是基本電源與電機之間的關鍵連接。設計更小、更高效、更高性能的逆變器是一個越來越重要的目標。雖然設計人員可以選擇中檔逆變器使用的關鍵電源開關器件的工藝技術，但 GaN 器件是首選。