作者：Steven Keeping

對緊湊但功能強大的電機的需求為設計工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。為了盡可能提高小型電機的功率輸出，工程師們開始轉向高壓和高頻工作。硅(Si)金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)和集成柵極雙極晶體管(IGBT)—它們都是傳統(tǒng)開關模式逆變器（現(xiàn)代電機控制的重要組成部分）的基礎—正在努力應對這些工作需求。有限的功率密度和擊穿電壓閾值限制了驅動電壓，而高頻工作所需的快速開關又推高了功率損耗，產生的結果就是效率低下、熱量積聚。

氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)為高電壓和高頻電機驅動應用提供了MOSFET和IGBT的替代品。這些寬禁帶(WBG)半導體器件為高功率密度電機開辟了新的應用，因為它們可以處理更高的電壓、電流、溫度和開關頻率，而且損耗比硅晶體管低得多。高功率密度電機應用中的集成GaN HEMT以及驅動逆變級已經實現(xiàn)商業(yè)化，這為新技術的采用提供了便利。

GaN HEMT逆變器是對新一代陶瓷電容器的補充，它可以處理高電壓尖峰和浪涌，而這些尖峰和浪涌可能會給高功率密度電機固有的傳統(tǒng)直流(DC)鏈路元件造成過大的壓力。

在下文中，我們將探討高功率密度電機功率級中使用的元件所面臨的挑戰(zhàn)，以及GaN HEMT和高性能陶瓷電容器為何能作為一種解決方案。

電機設計的進展

設計人員需要更小、更輕的電機，以提高現(xiàn)有產品的性能，并使其能夠用于各種新應用。高電源電壓和控制頻率有望成為一種解決方案。

高壓工作的優(yōu)勢

電機標稱功率是電源電壓乘以電流(V×A)的乘積。傳統(tǒng)電機在低電壓(<1000V)下運行，需要在大電流下運行才能產生高功率。大電流運行的缺點是需要較大的線圈，這增加了線圈電阻，降低了效率，也提高了溫度。高壓(≥10kV)降低了對電流的要求，從而能夠使用較小的線圈。其缺點是電機元件（包括電機驅動電子元件）必須承受高電壓，限制了選擇并增加了成本，而且小線圈具有低電感繞組的特點，難以抑制開關模式電源產生的電流紋波，這些電流紋波會導致電磁干擾(EMI)問題。

高頻工作的優(yōu)勢

現(xiàn)代電機的一種常見類型是三相交流(AC)型，通過依次向電機的各相（繞組）施加電流來驅動。電機轉子被繞組產生的旋轉磁場拉動，其轉速與工作頻率成正比（圖1）。

圖1：施加到感應電機各相的正弦信號，會產生一個旋轉磁場，拖動轉子旋轉。（圖源：Sciencing）

脈寬調制(PWM)疊加在基本工作頻率上，用于控制啟動電流、轉矩和功率等參數。半導體晶體管（通常為MOSFET或IGBT）的開關決定了PWM波形。

高頻PWM的一個關鍵優(yōu)勢在于它可以減小電流紋波（整流后剩余的交流輸入痕跡），從而克服了較小線圈的缺點。電流紋波減小后，就可以采用更小、更便宜的無源元件進行濾波。高頻工作還可以減小轉矩波動（由于不完美的正弦波輸入到電機線圈而導致的電動勢不均勻），這種波動可能會導致電機振動和過早磨損。

總體而言，高頻開關會提高功率密度（每單位體積產生的功率），從而使較小型電機的輸出能夠與較大型的設備相當。

傳統(tǒng)電機驅動已達到極限

傳統(tǒng)三相交流電機的工作電壓最高為1000V，開關頻率最高為20kHz。這樣的工作參數完全在廉價且商業(yè)上廣泛使用的硅MOSFET的能力范圍之內，這些MOSFET用于在電機驅動的最后階段構造逆變橋。

但是，由于以下原因，硅晶體管在高功率密度電機應用中達到了極限。

此類元件相對較低的擊穿電壓限制了電源電壓；

隨著工作頻率上升，晶體管的開關損耗（由晶體管每次從導通到關斷時的殘余電阻和電容引起）程度會迅速超過效率提高程度。

由于開關時間相對較長，此類器件的開關頻率存在閾值，無法在更高頻率工作。

IGBT較高的擊穿電壓為工程師提供了一些喘息機會，使他們可以提高工作電壓和工作頻率。但當工作頻率攀升至50kHz以上時，IGBT開始出現(xiàn)不可接受的開關損耗，并且無法快速開關。

GaN HEMT的優(yōu)勢

盡管硅是電子工業(yè)的支柱，但其他半導體往往還是會用于需要高壓和高頻操作或需要耐受高溫的專業(yè)應用。這些其他種類半導體具有寬禁帶(WBG)的特點。禁帶寬度是指在半導體中釋放電子實現(xiàn)導電所需的能量。與硅相比，這些材料的電氣特性有顯著區(qū)別。WBG半導體的禁帶寬度為2eV至4eV，而硅的禁帶寬度為1eV至1.5eV。氮化鎵(GaN)就是一種成熟的商業(yè)化WBG半導體。

WBG的特性

在硅MOSFET中，高于100°C的溫度會影響受控開關，因為一些電子會從熱量（而非開關電壓）中獲得足夠的能量，從而逃離母原子。由于WBG半導體的電子需要更多能量才能從原子中逃離并實現(xiàn)導電，因此直到溫度達到300°C時，GaN晶體管才會出現(xiàn)相同的效果。

WBG半導體具有比硅更高的擊穿電壓（高于600V），其原理很復雜，但部分原因是由于一種稱為電子飽和速度（也稱為電子遷移率）的特性。更高的遷移率使WBG半導體材料能夠處理兩倍于硅的電流密度(A/cm2)。這一特性也使得GaN HEMT的開關時間僅為硅MOSFET翻轉時間的四分之一。

由于寄生電阻和電極電阻的影響，所有半導體晶體管都會出現(xiàn)導通功率損耗，此外諸如電極間電容等其他因素也會導致功率損耗。這些損耗發(fā)生在每次開關晶體管時，并且與開關頻率和電機電流成正比。GaN HEMT的寄生電阻和電極電阻約為硅MOSFET的一半，電極間電容約為后者的五分之一。這種差異表明，對于給定的開關頻率和電機電流，GaN HEMT的開關損耗約為硅MOSFET的10%至30%。IGBT在高頻下表現(xiàn)出比MOSFET更低的開關損耗，但效率仍遠低于GaN HEMT。

GaN HEMT還有一項優(yōu)勢是這種晶體管不會遭受反向恢復電荷的影響。反向恢復電荷是指硅MOSFET從導通到關斷時剩余的少數載流子電荷的耗散，它會導致硅MOSFET的開關電流過沖（振鈴），從而可能導致EMI。

GaN HEMT在電機設計中的使用

GaN HEMT的電氣特性使其成為工程師們設計緊湊型、高壓和高頻電機的誘人主張?？傮w而言，這些設備具有以下優(yōu)點：

擊穿電壓高，有助于使用更高的輸入電壓（大于1000V）

電流密度高，使基于GaN的組件能夠在不降低功率處理能力的情況下縮小體積

具有快速開關能力，可實現(xiàn)電機的高頻（200kHz以上）工作

高頻工作，使輸出電流紋波得到限制，并且能夠減小濾波器組件的尺寸

開關損耗低，使功率耗散得到限制，并提高效率

耐高溫，能夠使用較小的散熱器

高水平集成，可以將GaN HEMT制造在芯片上（不同于硅功率組件）。

縮短材料清單(BOM)，縮小解決方案尺寸，因為在電機驅動解決方案中，GaN HEMT可以處理續(xù)流電流，而不需要IGBT所需的反向并聯(lián)二極管。

這些優(yōu)勢使工程師能夠設計出高度緊湊的電機，其輸出功率與傳統(tǒng)電機相同，但體積不到傳統(tǒng)電機的一半，功耗也大大降低。GaN HEMT設計的關鍵缺點是對電路開發(fā)和測試方面專業(yè)知識的要求很高。

集成解決方案能夠利用好GaN HEMT的優(yōu)勢

直到最近，硅MOSFET和IGBT還保留著相對于GaN HEMT的一項關鍵優(yōu)勢—其廣泛的商業(yè)可用性。但時至今日，工程師們已經可以輕松獲得GaN HEMT技術。更妙的是，一些硅供應商現(xiàn)在提供了基于GaN HEMT的集成解決方案，從而簡化了高壓和高頻交流電機逆變級。

以前，由于晶體管和驅動器組件基于不同的工藝技術，而且往往由不同的制造商提供，因此GaN HEMT被封裝成分立器件，并帶有獨立驅動器。這種做法的缺點是存在接合線，其寄生電阻和電感會增加開關損耗。將GaN HEMT和驅動器安裝在同一引線框架上可消除共源電感，這在快速開關（高di/dt）電路中尤為重要。多余的電感會產生振鈴，并可能導致電流保護機制發(fā)生故障。集成封裝的第二個關鍵優(yōu)勢：驅動器中可以內置熱傳感功能，以確保在出現(xiàn)過熱情況時，GaN HEMT在發(fā)生損壞之前關閉。

Texas Instruments在其LMG3410R070GaN功率級（圖2）中提供GaN HEMT和驅動器集成。該公司將該產品描述為業(yè)界首款600VGaN驅動器產品。該器件是一個8mm×8mm的四方扁平無引線(QFN)多芯片模塊(MCM)，由一個集成20V串聯(lián)MOSFET的GaN HEMT和驅動器組成。其導通電阻非常低，僅為75mΩ。柵極驅動器具有內置的降壓/升壓轉換器，以產生關閉GaN HEMT所需的負電壓。

圖2：Texas Instruments的LMG3410R70GaN功率級在緊湊的封裝中集成了GaN HEMT和驅動器。（圖源：Texas Instruments）

LMG3410GaN功率級的關鍵優(yōu)勢在于其可以控制硬開關期間的壓擺率。這種控制對于限制印刷電路板(PCB)的寄生延滯和EMI非常重要。這款Texas Instruments產品采用可編程電流源來驅動GaN柵極，使壓擺率可以設置在30V/ns至100V/ns之間。

LMG3410還包括一個有用的故障輸出，如果開關因故障事件而停止，可通知主機微控制器。

兩個半橋配置的緊湊型LMG3410GaN功率級可提供快速硬開關、低開關損耗、低寄生電感和零反向恢復電荷，而這些正是設計人員驅動高功率密度電機各相所需的（圖3）。

圖3：該應用電路原理圖顯示了兩個Texas Instruments的GaN功率級以半橋配置驅動三相電機的一相。（圖源：Texas Instruments）

構建高性能電機的驅動器

完整的交流電機驅動解決方案（圖4）包含三個元素：整流器（AC/DC轉換器）、直流鏈路和逆變器（DC/AC轉換器）。

圖4：該電機驅動解決方案原理圖說明了直流鏈路電容器的位置。（圖源：KEMET）

整流器通?；诙O管或晶體管拓撲結構，將標準的50Hz或60Hz交流電源轉換為（近似）直流電源。來自整流器的直流電源經過濾波后儲存在直流鏈路中，直到逆變器使用為止。然后，逆變器將直流電源轉換為三個正弦波PWM信號，每個信號驅動一個電機相位。

直流電元件發(fā)揮了幾項關鍵作用：

濾除來自整流級的電流和電壓紋波

濾除可能損壞逆變器晶體管的整流器電壓瞬變

提高電路效率

限制可能會損壞晶體管的感應電流

確保電力平穩(wěn)傳輸到負載

直流鏈路電路由安裝在電機驅動器的整流器級和逆變器級之間的電源線上的單個電容器組成，雖然實現(xiàn)起來很簡單，但由于其對電機整體性能和效率的重要性，使得選擇高品質組件變得至關重要。

直流鏈路在具有高壓擺率(dV/dt)和高電壓峰值的挑戰(zhàn)性條件下工作，因此設計人員必須選擇能夠承受這種壓力的器件。KEMETKC-LINK電容器使用陶瓷（鋯酸鈣，CaO3Zr）電介質和鎳內電極，是一個很好的選擇，因為它們是專門為高壓、高頻直流鏈路應用而設計的。

KC-LINK器件的關鍵特性是極低的等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)。低ESR和ESL值有助于提高效率，特別是在高壓應用中。此外，電容器還可以在下一代電機應用中常見的高頻和高溫下工作。這些電容器可以承受高達10MHz的頻率，并且可以承受?55°C至150°C的溫度范圍。這些器件還具有不隨電壓變化而發(fā)生電容偏移的特點，并通過了汽車級認證。

結語

WBG半導體器件，例如用于電機逆變器的GaN HEMT和用于直流鏈路的高性能電容器等已經實現(xiàn)商業(yè)化，滿足了設計人員對用于高功率密度電機驅動器的可靠元件的需求。這些關鍵組件將使設計人員能夠使用更緊湊、更輕巧、更便宜的電機來增強現(xiàn)有產品，同時將電機的使用擴展到廣泛的新應用中。此外，新一代的高功率密度電機將大大降低能源需求，為綠色地球做出貢獻。