電機驅動(dòng)消耗了歐洲近 50% 的電力 [1]。因此，各國政府制定了法規和標準，以確保盡可能高效地消耗電力，同時(shí)將對供電網(wǎng)的影響和中斷降至。變速驅動(dòng)器 (VSD) 現在在行業(yè)中很常見(jiàn)，因為與老式恒速感應電機相比，它們可減少高達 90% 的能源使用量 [2]，同時(shí)具有減小電機尺寸、提高動(dòng)態(tài)性能和可靠性等額外優(yōu)勢。
IEC 61000 等標準的制定是為了在電氣設備的抗擾度和輻射方面支持供電網(wǎng)，因為電機驅動(dòng)器帶來(lái)的大型感性負載會(huì )顯著(zhù)影響本地電網(wǎng)的穩定性。為了滿(mǎn)足這些標準，電機驅動(dòng)系統中采用了各種技術(shù)，包括有源功率因數校正 (PFC)，它將失真波調制回正弦波，以限度地提高電網(wǎng)供應的有功功率。
GaN 提高了性能和成本
氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙半導體，與舊的硅半導體相比，具有卓越的特性，包括開(kāi)關(guān)速度提高 20 倍、功率密度提高 3 倍以上的能力。將 GaN 功率器件應用到 PFC 和逆變器級電機驅動(dòng)系統中可顯著(zhù)降低功率損耗和尺寸，從而實(shí)現逆變器與電機的集成。本文詳細介紹了 Navitas 創(chuàng )建的 400 W 電機集成逆變器參考設計。
GaN FET 不具有任何反向恢復電荷，可實(shí)現極快的開(kāi)關(guān)速度，開(kāi)關(guān)損耗比硅 IGBT 和 MOSFET 低 4-5 倍，總功率損耗降低約 50%。功率的降低意味著(zhù)設備散發(fā)的熱量減少，從而可以減小散熱器的尺寸，甚至在低功率驅動(dòng)器中消除散熱器。2021 年，散熱器級機加工鋁的成本達到 13 年來(lái)的水平，價(jià)格約為 8 美元/公斤，因此限度地減少散熱器需求可以顯著(zhù)節省系統總成本。此外，由于系統重量減輕，運輸成本也降低。
極低的開(kāi)關(guān)損耗和無(wú)反向恢復相結合，為開(kāi)關(guān)頻率以及 VSD 的熱設計提供了新的自由度。電機集成逆變器的工作條件很困難，除了振動(dòng)和強磁場(chǎng)之外，環(huán)境溫度可能相當高，使得功率半導體的冷卻變得棘手，因此從不會(huì )產(chǎn)生大量電流的電源開(kāi)關(guān)開(kāi)始。熱首先。
集成提高了電機驅動(dòng)器的效率、控制和魯棒性
GaNSense 技術(shù)將 GaN 電源的性能與驅動(dòng)器、保護和動(dòng)態(tài)傳感功能集成在一起，使其成為高可靠性電機驅動(dòng)應用的理想選擇。優(yōu)化的柵極驅??動(dòng)電路以及相關(guān)的穩壓器和過(guò)溫、過(guò)流檢測等保護電路具有自主的自我保護能力。所有這些功能都完全集成，從而實(shí)現了卓越的性能和的可靠性。輸入信號可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數字信號進(jìn)行控制，從而消除了外部元件并減少了 PCB 面積。這對于緊湊型電機驅動(dòng)器非常有利，因為完整的電子系統可以安裝在電機外殼中。
圖 1. 采用 Navitas 的 GaNSense 技術(shù)的完全集成 GaNFast IC 的簡(jiǎn)化框圖。圖片由博多電力系統提供 [PDF]
與分立式硅或分立式 GaN 方法相比，GaNSense? 技術(shù)只需 30 ns 即可“檢測和保護”，比硅或分立式 GaN 快 6 倍，從而提高了系統級可靠性。更多詳細信息請參見(jiàn)應用筆記 AN015。
與散熱器上傳統的低精度溫度傳感器相比，電源開(kāi)關(guān)上集成的溫度控制可提供更高的精度和實(shí)時(shí)感測。這對于不易維修的電機集成驅動(dòng)應用至關(guān)重要，尤其是在工業(yè)環(huán)境中，需要的可靠性和正常運行時(shí)間。內置的過(guò)溫保護電路會(huì )在超過(guò)設定溫度時(shí)關(guān)閉GaN IC，從而實(shí)現對系統的快速保護。
GaNSense 技術(shù)中的無(wú)損電流感測優(yōu)勢消除了對大型且昂貴的分流電阻器的需求，從而顯著(zhù)減小了系統尺寸和成本，同時(shí)保持了快速過(guò)流保護，以實(shí)現工廠(chǎng)自動(dòng)化工業(yè)電機驅動(dòng)器所需的系統魯棒性。
此外，組件總數減少，從而顯著(zhù)降低 FIT（及時(shí)故障）率并提高系統可靠性。Navitas 近宣布為其產(chǎn)品提供 20 年有限保修，這在業(yè)界尚屬首次，凸顯了其卓越的可靠性。
Navitas 正在推出半橋拓撲的全系列 GaN 功率 IC，如表 1 所示。由于存在多個(gè)具有不同 RDSON 值且引腳兼容的不同 GaN 功率半橋 IC，因此該設計可以輕松擴展或權力下降。
表 1. Navitas 半橋拓撲的 GaN 功率 IC 產(chǎn)品組合
NV6247半橋650800160/160PQFN 6x8生產(chǎn)
NV6245C半橋275/275PQFN 6x8工程
所有新型半橋產(chǎn)品均采用節省空間的 PQFN 封裝，可實(shí)現與 PCB 的良好熱連接以及低寄生電感和電阻，并表現出與 Navitas 單電源開(kāi)關(guān)相同的穩健性和可靠性，特別是高瞬態(tài)電壓能力（ 650V 連續，800V 瞬態(tài)）。它們享受近宣布的 20 年保修。有關(guān)產(chǎn)品性能和穩健性的更多信息，請參閱其各自的數據表 [3] 和 www.navitassemi.com [5] 上的專(zhuān)用應用說(shuō)明 AN-018。
電機集成逆變器參考設計
半橋拓撲中 GaN 功率 IC 的可用性使得能夠實(shí)現非常緊湊的電機逆變器，如圖 2 所示。
該逆變器由 Navitas 的三個(gè)半橋 GaN 功率 IC（新型 NV6247）組成。它包含輸入邏輯、電平轉換器、穩壓器和柵極驅動(dòng)器、電流和溫度檢測電路以及自舉電源。因此，外部元件數量非常少。
逆變器三個(gè)支路之一的示意圖如下圖 3 所示。所示為第二相電路，所有三相均相同。主要組件是 NV6247，集成了半橋配置中的兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)、柵極驅動(dòng)器及其穩壓器以及標記為“PWM”的輸入邏輯。內置自舉電路用于向高側驅動(dòng)器提供柵極驅動(dòng)電源。還包括一個(gè)電平轉換器，以便輸入信號可以接地為參考，使該器件成為真正意義上的數字可控功率級。
圖 2. 帶有 400W 電機逆變器功率級的圓形 PCB，連接到 BLDC 電機的背面，直徑為 56mm。圖片由博多電力系統提供 [PDF]
此外，還包括多種傳感功能。首先，流經(jīng)內部低側 GaN 功率 FET 的電流在內部被感測，然后在電流感測輸出引腳 (CS) 處轉換??為電流。其次，結溫通過(guò)柵極驅動(dòng)器上的電路進(jìn)行感測，并在過(guò)熱時(shí)用于關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。
IC 引腳包括高側 GaN 功率 FET 的漏極（VIN，連接到 VBUS）、半橋中點(diǎn)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（VSW，連接到 PHB）、低側 GaN 功率 FET 的源極和IC GND (PGND)、低側 IC 電源 (VCC)、低側柵極驅動(dòng)電源 (VDDL)、低側導通 dV/dt 控制 (RDDL)、低側 5V 電源 (5VL)、低側側參考 PWM 輸入（INL、INH）、低側電流檢測輸出（CS）、自動(dòng)待機使能輸入（/STBY）、高側電源（VB）、高側柵極驅動(dòng)電源（VDDH）和高側側 5V 電源 (5VH)。IC 周?chē)耐獠康蛡仍ㄟB接在 VCC 引腳和 PGND 之間的 VCC 電源電容（CVCC）、連接在 VDDL 引腳和 PGND 之間的 VDDL 電源電容（CVDDL）、連接在 VDDL 之間的導通 dV/dt 設置電阻（RDDL）引腳和 RDDL 引腳，連接在 CS 引腳和 PGND 之間的電流檢測幅度設置電阻（RSET），連接在 5VL 引腳和 PGND 之間的 5V 電源電容器（C5VL），以及連接到 PGND 以啟用自動(dòng)待機模式的自動(dòng)待機使能引腳（/STBY）或連接到5VL 禁用自動(dòng)待機模式。IC 周?chē)耐獠扛哌呍ㄟB接在 VB 引腳和 VSW 之間的 VB 電源電容器（CVB）、連接在 VDDH 引腳和 VSW 之間的 VDDH 電源電容器（CVDDH）以及連接在 5VH 引腳和 VSW 之間的 5V 電源電容器（C5VH）。必須仔細選擇高側 VB、5VH 和 VDDH 旁路電容器，以適應各種系統考慮因素，例如高側喚醒時(shí)間、高側保持時(shí)間和待機功耗。右側可以看到 VBUS 阻擋帽，PCB 允許使用薄膜或電解帽。它們的目的是抑制由于電源和開(kāi)關(guān)動(dòng)作中的寄生電感而可能發(fā)生的任何類(lèi)型的振鈴，因為該板是為直流輸入而設計的。，R17 和 C18 可用于抑制交換機節點(diǎn)上的振鈴，因為它可能是由長(cháng)電纜及其電感引起的，并且是可選的。
值得注意的是，電源開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度可以通過(guò)外部電阻器（本例中為 R7）進(jìn)行調整。雖然降低開(kāi)關(guān)速度確實(shí)會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗，但影響并不大，因為開(kāi)關(guān)損耗本來(lái)就非常低。這樣，開(kāi)關(guān)速度就可以根據電機的需要進(jìn)行調整，并且可以調整產(chǎn)生的 EMI 以符合所有要求的法規，并且可以縮小 EMI 濾波器組件的尺寸。50Ω 的值是一個(gè)很好的起點(diǎn)。
圖 3. 三個(gè)逆變器支路之一的原理圖，顯示除了 GaN 功率 IC 之外，只需要很少的外部組件。圖片由博多電力系統提供 [PDF]
CS 引腳 (R8) 上的電阻器可根據微控制器及其 ADC 輸入的需要進(jìn)行設置，以適當縮放電壓。然而，如果該引腳上的電壓超過(guò)1.9V，則會(huì )觸發(fā)過(guò)流保護。需要注意的是，CS引腳上電阻的選擇會(huì )影響功率級中電流對應的電壓以及過(guò)流保護。
自動(dòng)待機模式旨在降低 NV6247 在不切換時(shí)的功耗。如果在超過(guò)約 90 ?s 的時(shí)間內沒(méi)有檢測到更多輸入脈沖，IC 將自動(dòng)進(jìn)入低功耗待機模式。這將禁用柵極驅動(dòng)器和其他內部電路，并將 VCC 電源電流降低至較低水平。當INL脈沖重新啟動(dòng)時(shí)，IC將在INL輸入的個(gè)上升沿延遲（通常約為450ns）后喚醒，并再次進(jìn)入正常工作模式。 |
