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(guān)頻率電機(jī)控制應(yīng)用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。我們在此討論的重點(diǎn)是 GaN HEMT 晶體管在高功率密度電動機(jī)應(yīng)用的功率和逆變器階段所提供的優(yōu)勢。
    GaN 的優(yōu)點(diǎn)
    氮化鎵是一種寬帶隙 (WBG) 材料。因此，其禁帶（對應(yīng)于電子從價帶傳遞到導(dǎo)帶所需的能量）比硅寬得多：約 3.4 電子伏特 (eV)，而硅為 1.12 eV。GaN HEMT 較高的電子遷移率意味著更高的開關(guān)速度，因為通常積聚在接頭中的電荷可以更快地分散。上升時間越快，漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(on)) 值以及使用 GaN 可實現(xiàn)的降低的柵極和輸出電容都有助于其實現(xiàn)低開關(guān)損耗，并且能夠在比硅高 10 倍的開關(guān)頻率下工作。減少功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱以及更簡單的冷卻系統(tǒng)。    用于電機(jī)控制的 GaN 技術(shù)

    圖 1：GaN 和硅晶體管的總體器件損耗
    （圖片：德州儀器）
    在高開關(guān)頻率下工作的可能性使解決方案能夠減少占地面積、重量和體積，從而避免使用電感器和變壓器等笨重的組件。圖 1顯示了采用硅和氮化鎵技術(shù)構(gòu)建的功率器件的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗隨開關(guān)頻率上升的趨勢線。對于這兩種材料，傳導(dǎo)損耗保持不變，而開關(guān)損耗則增加。但隨著開關(guān)頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開關(guān)損耗仍然明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT，并且開關(guān)頻率越高，差異越明顯。
    GaN HEMT 相對于傳統(tǒng)硅器件的主要優(yōu)點(diǎn)是：
    更高的轉(zhuǎn)換速率（dV/dt 為 100 V/ns 或更高），從而支持更快的開關(guān)速率，從而降低開關(guān)損耗；
    接近于零的反向恢復(fù)電荷（因為 GaN HEMT 沒有固有的體二極管，因此不需要反并聯(lián)二極管，并且降低了功率損耗和電磁干擾 [EMI] 效應(yīng)）；
    在較高溫度（高達(dá)約 300 °C）下完全運(yùn)行，而不影響開關(guān)能力；
    更高的擊穿電壓（600V以上）；
    在給定開關(guān)頻率和電機(jī)電流下，開關(guān)損耗為硅 MOSFET 的 10% 至 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高頻電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計中使用 GaN HEMT 器件。借助 GaN HEMT，設(shè)計人員可以構(gòu)建具有與硅基設(shè)計相同的輸出特性的電動機(jī)，但尺寸更緊湊且功率吸收更低。
    高性能電機(jī)驅(qū)動
    低電壓、低電感、高轉(zhuǎn)速無刷電機(jī)需要典型開關(guān)頻率在 40 kHz 至 100 kHz 之間的驅(qū)動電路，能夠最大限度地減少電機(jī)扭矩的損耗和變化。驅(qū)動交流電機(jī)的常見解決方案如圖 2所示，包括交流/直流轉(zhuǎn)換器、直流電路（如圖2所示）由電容器）和DC/AC轉(zhuǎn)換器（逆變器）。第一級通常基于二極管或晶體管，將 50Hz/60Hz 主電壓轉(zhuǎn)換為近似的直流電壓，隨后對其進(jìn)行濾波并存儲在直流電路中以供逆變器稍后使用。最后，逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為三個正弦脈寬調(diào)制 (PWM) 信號，每個信號驅(qū)動一個電機(jī)相。    用于電機(jī)控制的 GaN 技術(shù)

    圖 2：典型電機(jī)驅(qū)動器解決方案的簡化框圖（圖片：德州儀器）
    直流電路對來自AC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓和電流進(jìn)行濾波，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(yīng)電流，穩(wěn)定提供給負(fù)載的電壓，并提高整體效率。電容器必須在特別關(guān)鍵的條件下運(yùn)行，例如高轉(zhuǎn)換速率和高電壓峰值。因此，設(shè)計人員應(yīng)仔細(xì)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
    回到圖 2，GaN HEMT 晶體管通常用于實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動器逆變級，這是高壓高頻電機(jī)驅(qū)動器解決方案的最關(guān)鍵點(diǎn)。如今，多種基于 GaN 技術(shù)的集成器件已投入商用。
    例如，Navitas Semiconductor 的 NV6113 集成了 300 mΩ、650 V 增強(qiáng)型 GaN HEMT；柵極驅(qū)動器；和相關(guān)邏輯，全部采用 5 × 6mm QFN 封裝。NV6113 可承受 200 V/ns 的轉(zhuǎn)換速率，工作頻率高達(dá) 2 MHz。該器件針對高頻和軟開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化，創(chuàng)建了易于使用的“數(shù)字輸入、功率輸出”高性能動力系統(tǒng)構(gòu)建塊。該電源 IC 將傳統(tǒng)拓?fù)洌ɡ绶醇な健霕蚴胶椭C振式）的功能擴(kuò)展到兆赫頻帶以上的開關(guān)頻率。NV6113 可以作為單個器件部署在典型的升壓拓?fù)渲校部梢圆⑿胁渴鹪诹餍械陌霕蛲負(fù)渲小?br>    德州儀器 (TI) 擁有廣泛的 GaN 集成功率器件產(chǎn)品組合。例如，LMG5200 集成了基于增強(qiáng)型 GaN FET 的 80V GaN 半橋功率級。該器件由半橋配置中的一個高頻 GaN FET 驅(qū)動器驅(qū)動的兩個 GaN FET 組成。為了簡化該器件的設(shè)計，TI 提供了 TIDA-00909，這是一種使用帶有三個 LMG5200 的三相逆變器的高頻電機(jī)驅(qū)動參考設(shè)計。TIDA-00909 提供了一個兼容接口，可連接到 C2000 MCU LaunchPad 開發(fā)套件，以便輕松進(jìn)行性能評估。    用于電機(jī)控制的 GaN 技術(shù)