在廣泛使用硅基功率器件之后，很明顯，由于其材料特性的限制，它們的能力已經(jīng)達(dá)到了極限。事實(shí)證明，提高績(jī)效的努力很困難。為了實(shí)現(xiàn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率，研究人員開(kāi)始探索使用氮化鎵 (GaN) 半導(dǎo)體。他們發(fā)現(xiàn) GaN 具有寬帶隙、高抗電擊穿、高抗輻射和高電子飽和速度，使其成為硅基功率器件的有前途的替代品。本文展示了在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中使用 GaN 功率器件的示例。
    氮化鎵功率器件通常有兩個(gè)組件：平面器件 (a) 創(chuàng)建在硅或碳化硅襯底上，垂直器件 (b) 由自支撐襯底上的 GaN 有源層制成。與平面?zhèn)鲗?dǎo)裝置相比，該裝置的垂直結(jié)構(gòu)有幾個(gè)好處。
    更高的擊穿電壓：垂直傳導(dǎo)器件可以在給定器件尺寸的情況下處理大電流。電場(chǎng)沿垂直方向均勻分布，導(dǎo)致器件導(dǎo)電性更好，擊穿電壓更高。
    消除電流崩塌效應(yīng)：垂直器件內(nèi)的高電場(chǎng)區(qū)域有助于減弱表面態(tài)的影響并減緩電流崩塌效應(yīng)，即在施加較大的負(fù)柵極電壓時(shí)漏極電流顯著下降。表面也可以用 Si3N4 膜鈍化以進(jìn)一步消除這種影響。
    提高功率密度：垂直器件電場(chǎng)分布均勻，沒(méi)有尖峰電場(chǎng)，更容易提高功率密度。
    值得注意的是，目前可用的大多數(shù) GaN 功率器件都是基于平面結(jié)構(gòu)的。這是因?yàn)闇?zhǔn)備材料具有挑戰(zhàn)性，并且垂直 GaN 器件的制造成本很高。由于晶圓尺寸大、成本低且技術(shù)成熟，硅一直是大規(guī)模生產(chǎn)的流行基板。目前的GaN功率器件市場(chǎng)分為GaN二極管、GaN高電子遷移率晶體管、Cascode GaN HEMT結(jié)構(gòu)和GaN MOSFET等幾類(lèi)。
    電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的GaN功率器件
    在研究論文 [3] 中，發(fā)現(xiàn)與硅基 IGBT 逆變器相比，常開(kāi) GaN HEMT 器件與常關(guān)低壓硅基 MOSFET 相結(jié)合，采用共源共柵配置，可實(shí)現(xiàn)更低的開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗. 研究表明，在 100 KHz 下運(yùn)行的 6 合 1 GaN HEMT 器件的開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗遠(yuǎn)低于在 15 KHz 下運(yùn)行的硅基 IGBT 的損耗。與沒(méi)有濾波器的電機(jī)中的額外損耗相比，這導(dǎo)致更小的輸出正弦波和正弦波濾波器中的更低損耗。
    威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的學(xué)生研究了在帶有感應(yīng)電機(jī)的集成模塊化電機(jī)驅(qū)動(dòng) (IMMD) 系統(tǒng)中使用 GaN 功率 FET [4]。他們提出了一種設(shè)計(jì)，利用 GaN 功率 FET 的卓越開(kāi)關(guān)性能來(lái)減小 IMMD 的尺寸并消除對(duì)逆變器散熱器的需求，并優(yōu)化直流鏈路電容器。他們能夠設(shè)計(jì)出功能齊全的即插即用 IMMD 原型，該原型集成到 190V、5A 感應(yīng)電機(jī)中。

   

    圖 1：使用 GaN 的西門(mén)子 Simatic Micro-Drive
    在機(jī)器人和工業(yè)應(yīng)用中，設(shè)備的尺寸和能效對(duì)于創(chuàng)新至關(guān)重要。基于 GaN 的功率器件有可能縮小電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的尺寸和重量。GaN 技術(shù)允許高脈寬調(diào)制頻率和低開(kāi)關(guān)損耗，使其成為驅(qū)動(dòng)低電感永磁電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)的理想選擇。此外，它還減少了伺服驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)中用于定位的扭矩紋波，從而使高速電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓。
    過(guò)去，的 GaN 器件制造商合作將基于 GaN 的功率器件集成到驅(qū)動(dòng)技術(shù)中。例如，GaN Systems 和西門(mén)子合作開(kāi)發(fā)了 Simatic Micro-Drive 產(chǎn)品線，將 GaN Systems 功率半導(dǎo)體整合到一起以實(shí)現(xiàn)高功率密度、效率和穩(wěn)健性。來(lái)自西門(mén)子技術(shù)部的 Andreas Gr?ger 表示，這一挑戰(zhàn)為新型半導(dǎo)體帶來(lái)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的突破。