氮化鎵功率器件在工業電機控制方面具有優勢

近年來，隨著電機在各種應用中的廣泛使用和巨大的節能潛力，電機控制技術，特別是頻率控制驅動器，獲得了快速發展。用于電機控制的基于框架的電源模塊，在對成本、尺寸和性能特別敏感的應用領域發生了重大變革。

新興電子應用需要能從緊湊型平臺中獲得更高性能的電機設計。依靠經典硅基MOSFET和IGBT的電機驅動器電路正在努力滿足新的標準。隨著硅基技術接近功率密度、擊穿電壓和開關頻率的理論極限，設計人員越來越難以控制功率損耗。這些限制帶來的主要后果是在高工作溫度和開關速率下的效率降低以及性能問題增加。

我們可以來斟酌一個工作在大于等于40kHz開關頻率下的硅基功率器件。在這些條件下，開關損耗大于傳導損耗，并會對總功率損耗產生級聯效應。散發所產生的多余熱量需要使用散熱器，這就會造成解決方案的重量、占位面積和生產成本增加。

基于氮化鎵(GaN)的高電子遷移率晶體管(HEMT)器件具有優越的電氣特性，因此成為了高壓、高開關頻率電機控制應用中MOSFET和IGBT的有效替代品。本文主要集中討論GaN HEMT晶體管在高功率密度電機應用的功率級和逆變器級中所提供的優勢。

在機器人和其他工業用途的電機中，尺寸和能源效率非常重要，但其他因素也開始發揮作用。GaN解決方案可以實現更高的脈寬調制(PWM)頻率，而低開關損耗則有助于驅動具有極低電感的永磁電機和無刷直流電機。這些特性還可以將伺服驅動器和步進電機精確定位的轉矩波動降至最低，從而在無人機等應用中使高速電機實現高電壓。

GaN的好處

GaN是一種寬禁帶材料。因此，它的禁帶（電子從價帶移動到導帶所需的能量）比硅的禁帶要寬得多：大約是3.4eV對1.12eV。因為通常在結點積聚的電荷可能會消散得更快，所以GaN HEMT的增強電子遷移率與更快的開關速度是息息相關的。

由于其較短的上升時間、較低的漏源通態電阻(RDS(on))值，以及更小的柵極電容和輸出電容，GaN可以實現低開關損耗，并能在比硅高10倍的開關頻率下工作。能夠在高開關頻率下工作，就使得占位空間、重量和體積更小，并且消除了對電感器和變壓器等笨重元器件的需求。隨著開關頻率的增加，GaN HEMT的開關損耗將保持遠低于硅MOSFET或IGBT的開關損耗，并且開關頻率越大，差異越明顯。

綜上所述，GaN器件在多個方面都優于傳統的硅基功率器件，這些優勢包括：

• GaN的擊穿場比硅高10倍以上（3.3MV/cm對0.3MV/cm），因此允許GaN基功率器件在損壞前支持10倍以上的電壓。
• 在相同的電壓值下工作，GaN器件的溫度更低，產生的熱量更少。因此，它們可以在比硅更高的溫度(高達225℃2及以上)條件下工作，而硅則會受到其較低結溫(150℃至175℃)的限制。
• 由于其固有結構，GaN可以以比硅更高的頻率進行開關，并能提供更低的RDS(on)和優秀的反向恢復能力。這反過來又會帶來高效率，同時減少開關損耗和功率損耗。
• 作為一種HEMT，GaN器件具有比硅器件更高的電場強度，從而允許GaN器件具有更小的裸片尺寸和更小的占位空間。

電機控制解決方案

驅動交流電機常用的解決方案包括AC/DC轉換器、直流電路和DC/AC轉換器(逆變器)。第一級通?；诙O管或晶體管，將50Hz或者60Hz工頻電壓轉換為近似的直流電壓，該直流電壓隨后又會經過濾波并被存儲在直流電路中以供后續的逆變器使用。最后，逆變器將直流電壓轉換為三個正弦PWM信號，每個信號用于驅動一個電機相位。GaN HEMT晶體管通常用于實現電機驅動器逆變器級，這是高壓、高頻電機驅動解決方案的最關鍵部分。

例如，EPC公司的EPC2152是一種驅動器和eGaN FET半橋功率級合封IC，它基于該公司的專利GaN IC技術。單片芯片包含輸入邏輯接口、電平轉換、自舉充電和柵極驅動緩沖電路，以及配置為半橋的eGaN輸出FET。高集成度使其芯片級LGA封裝尺寸達到了3.85mm×2.59mm×0.63mm，非常緊湊。在半橋拓撲中，兩個eGaN輸出FET具有相同的漏源通態電阻。使用帶有eGaN FET的片上柵極驅動緩沖器，幾乎消除了共源極電感和柵極驅動回路電感的影響（參見圖1）?；趤碜则寗虞敵鯢ET的反饋的柵極驅動電壓內部穩壓，則在仍將輸出FET打開至低RDS(on)狀態的同時，確保了安全柵極電壓水平。

圖1：EPC2152的功能圖。（圖片來源：EPC）

另一個例子是來自GaN Systems公司的GS-065-004-1-L增強型硅基GaN功率晶體管。GaN的特性可實現大電流、高電壓擊穿和高開關頻率。GaN Systems實現了其專利島技術單元布局，用于實現大電流裸片性能和產量。GS-065-004-1-L是一種采用5mm×6mm PDFN封裝的底部冷卻晶體管，因此可以實現低結殼熱阻。這些特性結合起來就提供了非常高效的電源開關。

納微半導體的NV6113在5mm×6mm QFN封裝中集成了300mΩ、650V增強型GaN HEMT，以及柵極驅動器和關聯邏輯。NV6113可以承受200V/ns的電壓轉換速率，并在高達2MHz的頻率下工作。該器件針對高頻和軟開關拓撲進行了優化，可以用來創建易于使用的“數字輸入，電源輸出”高性能動力總成組件。該電源IC將傳統拓撲（例如反激式、半橋式和諧振式）的性能擴展到了兆赫頻帶以上的開關頻率。NV6113可以在典型的升壓拓撲中作為單個器件部署，也可以在流行的半橋拓撲中并行部署。

圖2：納微半導體的NV6113典型應用電路。(圖片來源：納微半導體)

德州儀器(TI)提供廣泛的GaN集成電源器件組合。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，后者又由一個半橋結構的高頻GaN FET驅動器驅動。為了簡化該器件的設計，TI提供了高頻電機驅動參考設計TIDA-00909，其中使用了一個三相逆變器以及三個LMG5200。TIDA-00909具有兼容接口，可連接到C2000 MCU LaunchPad開發工具包，從而便于性能評估。

氮化鎵與碳化硅

由于具有節能、尺寸微縮、集成方案和可靠性等特性，碳化硅(SiC)器件在電機控制和電力控制應用中的運用是一個重大突破。除此之外，現在可以在逆變器電路中為所連接的電機采用最佳開關頻率，這對電機設計具有重要意義。

在必須使用有源冷卻來調節半導體損耗，從而實現高性能和高可靠性的解決方案中，降低高達80%的損耗可能會扭轉局面。一個例子是來自英飛凌科技的基于SiC的CoolSiC MOSFET，并在針對1,200V優化的D2PAK-7 SMD封裝中采用了.XT連接技術，因此就可以以小尺寸提供有吸引力的散熱能力。這種組合就可以在伺服驅動器等高密度電機驅動領域實現無源冷卻，從而使機器人和自動化行業能夠創建免維護、無風扇的電機逆變器。自動化領域的無風扇解決方案開辟了新的設計可能性，因為它們節省了維護和材料上的金錢和時間。由此獲得的小系統尺寸使其適合于機械臂中的驅動集成。

與具有類似額定值的IGBT相比，根據為CoolSiC選擇的功率類型，可以在相同的外形尺寸下實現更大的電流，同時仍然保持在SiC MOSFET(約40~60K)的情況下明顯低于IGBT(105K)的恒定結溫。對于給定的器件尺寸，使用SiC MOSFET，還可以在沒有風扇的情況下驅動更大的電流。

總結

從我們在家中和廚房使用的電氣設備到我們駕駛的汽車（包括汽油動力、混合動力和全電動汽車）以及生產智能手機的工廠，電機幾乎遍布現代文明的方方面面。雖然有些電機非常簡單，有些則非常復雜，但它們都有一個共同點，即都需要控制。

其他電機應用，諸如當今工業廠房中的應用，則需要用復雜的電機控制來提供高精度、高速的電機控制活動。傳統的硅MOSFET和低PWM頻率的逆變器正在直流電機和電池供電電機應用中被逐步淘汰，取而代之的則是基于GaN的高PWM頻率的逆變器。其好處包括提高系統效率和消除大型無源元件，即電解電容器和輸入電感器。