将GaN逆变器应用在电池供电的电机驱动中

许多应用，如仓库自治机器人和精益生产线协作机器人，要求每个电机的逆变器具有高功率能力，同时又紧凑、轻便。这对设计师来说是一个挑战，因为功率、尺寸和重量一直是对立的属性。在电池供电的应用中，每占用一立方英寸的空间和每节省一克重量，两次电池充电之间的工作时间就更长。来自高效功率转换的GaN FET有助于设计师提高功率密度以赢得挑战。 EPC9145电机驱动功率评估板
EPC2206 80 V 2.2mΩeGaN®FET（图1）是母线电压低于70 VDC应用的最佳候选器件。在电机驱动中，PWM频率通常保持在50 kHz以下，死区时间超过500纳秒。在这些情况下，开关RDSON是设计者关注的主要参数。热容量，特别是器件结到外壳的热阻Rθjc，是需要考虑的第二个参数。传统的基于MOS的解决方案每个开关有一个或多个并联的器件，并且基于5 x 6 mm或10 x 10 mm封装，如图1所示。图1.EPC2206 80V 2.2mohm GaNFET（左侧）与类似的RDSON MOSFET对比。
图2.EPC9145-基于EPC2206的三相逆变器功率板–10 x 12 cm EPC9145是一个电机驱动评估板，其特点是EPC2206，除了微控制器之外，它拥有驱动板上电机所需的一切。它可以在70 VDC的最大母线电压和25臂的最大相电流下运行。电机控制器可从市场上可用的控制器中选择，并可使用适当的EPC mate板连接。在图2中，从左到右是控制连接器、反馈至外部微控制器的电压和电流信号调节电路、陶瓷电容器组、带桥臂分流器的三相逆变器，最后是电机连接器。 dv/dt开关波形EPC9145 PCB按照EPC最佳布局规则（图4）进行布局，确保电源回路中的电感最低。主要标准是组件放置中的对称性，并在顶部和第一层内布置整个高频路径。在EPC9145中布局稍微复杂一些，因为高频功率回路中有相电流分流器，如图3所示。
图3.开关单元的详细视图
图4.EPC最优布局推荐

高频电容器为9个尺寸为0603的220nf电容，全部并联，以降低高频时的总电感。同样的原理也适用于1mΩ桥臂分流传感器，该传感器由四个4 mΩ0805宽体SMD电阻器制成。结果如图5所示，其中V相开关节点在上升沿和下降沿随时间摆动，如图所示。图5中的图片以无限持久性获得，以捕获所有波形，因此最大dv/dt清晰可见。未观察到电压超调，dv/dt在典型电机驱动应用中使用的范围内。细心的读者可以观察到死区时间被设置为50纳秒（2.5个刻度）。
图5.30V母线V相上升沿/30V母线V相下降沿

相与桥臂分流器电流检测
在逆变器中使用分立eGaN FET或GaN ePowerTM级IC进行电机驱动时，通常使用相电流分流器和隔离（功能或电气）IC，从开关桥臂的共模信号中提取分流电阻器上的低压差分信号。这种方法的优点是，用户可以在整个PWM周期内连续访问相电流信号，但在切换事件期间除外，在开关切换期间，信号可能会受到桥臂dv/dt的影响。然而，与桥臂分流传感相比，相分流器解决方案的更高成本和更低带宽可能不利于在电机驱动中采用GaN逆变器。
图6. 相电流分流器和桥臂分流器电流检测比较-注：图中的噪声由非最佳测量设置拾取。真实信号更清晰，因为它可以通过控制器电流重构来显示。

EPC9145为用户提供了测试这两种解决方案的机会，并决定哪种解决方案最适合其应用。事实上，每个开关单元都有1mΩ相电流分流器和1 mΩ桥臂分流器。两个电路的20倍放大增益、偏移和极性相同，因此用户可以将一个或另一个传感方案连接到外部微控制器，而无需进行任何固件更改。如图5所示，在低压侧桥臂中插入分流器不会对开关行为产生不利影响。
图7a. 内层带有分流信号开尔文连接

图7b. 具有开尔文分流线路的模拟接地屏蔽的顶层和底层

两种电流测量方法的比较，以及从连接在逆变器输出端的电流探头获得的信号，如图6所示。当相电压较高时，通过桥臂分流器的信号为零，放大器的输出为1.65 V；当相电压较低时，在相电流分流器中流动的电流也在桥臂分流器中流动，因此两个放大信号重叠。传统的磁场定向控制算法测量相低电压脉冲（图6中的两颗星指示）中的电流，因此，通过简单地改变EPC9145板上的三个跳线的位置，就可以使用这两个信号中的任何一个。 精确电流检测的布局规则
EPC9145演示了将低压信号从电源板上的并联电阻器支路到被放大并连接到微控制器的良好实践。主要标准是在分流器上进行开尔文测量，并使连线尽可能接近，并由布线层上下各层上的模拟接地笼屏蔽，如图7所示。另一个好的做法是将数字和电源接地与模拟接地分开，并将它们连接在远离电源回路路径的一个点上。
图8. 40kHz 50ns DT运行，60VDC 17.5ARMS相电流-桥臂分流测量
图9. 40kHz 50ns DT运行，60VDC 10ARMS相电流时的红外图像（由热电偶确认）

无散热器运行
在带有滞环制动器的电机试验台设置中测试EPC9145时，使用了相电流和桥臂电流检测。17.5ARMS 60VDC下的电流和电压波形如图8所示。图9显示了EPC2206上没有散热器和空气对流的温度。在这种情况下，电流为10ARMS，电压为60VDC，与环境温度之差为30°C。 100kHz运行的好处
基于eGaN的逆变器可以在100kHz下轻松运行。其优点是，当PWM频率增加时，输入电压和电流纹波减小，允许用户移除电解电容器并使用更小、更轻和更可靠的陶瓷电容。EPC9145顶部表面装有陶瓷电容器，底部装有电解电容器。在顶层和底层都有对应底座，因此用户可以安装或卸载电容器，并进行自己的试验和判断，以找到优化重量、尺寸和热运行的正确工作点。 结论
许多电池驱动的电机应用正在从传统的硅MOSFET、低PWM频率转向能够在更高PWM频率下运行的GaN逆变器，并在不牺牲整体系统效率的情况下带来减小尺寸和重量的优势。通过适当的栅极驱动和优化布局，GaN逆变器开关波形清晰，dv/dt易于管理。 参考文献：[1] A.Lidow, M. De Rooij, J. Strydom, D.Reusch, J. Glaser, “GaN Transistors for Efficient Power Conversion.” ThirdEdition, Wiley. ISBN 978-1-119-59414-7[2] D.Reusch, Fred C. Lee, David Gilham,Yipeng Su, “Optimization of a High Density Gallium Nitride based Non-IsolatedPoint of Load Module”, ECCE 2012 Raleigh, NC[3] M. Vujacic, M. Hammami, M. Srndovic, G.Grandi, "Analysis of dc-Link Voltage Switching Ripple in Three-Phase PWMInverters," Energies. 2018; 11(2):471. https://doi.org/10.3390/en11020471.[4] M. Palma, “GaN ePower Stage IC-BasedInverter for BatteryPowered Motor Drives Applications”, Bodo’s Power April 2021

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