如何使用GaN功率器件(EPC2065和EPC9167)打造卓越的中档电机逆变器

作者：Bill Schweber

推动更有效地利用能源、更严格的监管要求以及冷却器运行的技术优势都支持了最近减少电动机功耗的举措。虽然硅 MOSFET 等开关技术很普遍，但它们通常无法满足关键逆变器应用更苛刻的性能和效率目标。

相反，设计人员可以使用氮化镓 (GaN) 来实现这些目标，氮化镓是一种宽带隙 (WBG) FET 器件技术，该技术在成本、性能、可靠性和易用性方面都得到了改进和进步。 GaN器件现已成为主流，并已成为中档功率级别逆变器的首选。

本文探讨了Efficient Power Conversion Corporation (EPC)的最新一代 GaN 基 FET如何实现高性能电机逆变器。评估板旨在帮助设计人员熟悉 GaN 器件特性并加速设计。

什么是逆变器?

逆变器的作用是创建和调节驱动电机的功率波形，电机通常是无刷直流 (BLDC) 类型。它控制电机速度和扭矩，以实现平稳启动和停止、反向和加速率等要求。它还必须确保尽管负载发生变化，仍能实现并保持所需的电机性能。

请注意，具有变频输出的电机逆变器不应与交流线路逆变器混淆。后者从汽车电池等电源获取直流电，以提供固定频率的 120/240 伏交流波形，该波形近似于正弦波，可用于为线路操作设备供电。

为什么考虑氮化镓?

相对于硅器件，GaN 器件具有更有吸引力的属性，包括更高的开关速度、更低的漏源导通电阻 (R DS(ON) ) 以及更好的热性能。较低的 R DS(ON)使其可用于更小、更轻的电机驱动器，并减少功率损耗，从而在电动自行车和无人机等应用中节省能源和成本。较低的开关损耗可提高电机驱动效率，从而扩大轻型电动汽车 (EV) 的续航里程。更快的开关速度可实现低延迟电机响应，这对于需要精确电机控制的应用(例如机器人)至关重要。 GaN FET 还可用于开发更强大、更高效的叉车电机驱动器。 GaN FET 的更高电流处理能力使其可用于更大、更强大的电机。

对于最终应用，最终的好处是减小尺寸和重量、提高功率密度和效率以及更好的热性能。

GaN 入门

任何电源开关器件的设计，尤其是中档电流和电压的器件，都需要关注器件的最小细节和独特特性。 GaN 器件有两种内部结构选择：耗尽型 (d-GaN) 和增强型 (e-GaN)。 d-GaN 开关通常处于“开启”状态，需要负电源;设计到电路中更加复杂。相比之下，e-GaN 开关通常是“关闭”MOSFET，这使得电路架构更加简单。

GaN 器件本质上是双向的，一旦器件上的反向电压超过栅极阈值电压，就会开始导通。此外，由于它们在设计上无法进行雪崩模式操作，因此具有足够的额定电压至关重要。对于降压、升压和桥式直流转换拓扑，总线电压高达 480 伏时，600 伏的额定电压通常就足够了。

尽管 GaN 开关的基本开/关功率开关功能很简单，但它们是功率器件，因此设计人员必须仔细考虑开通和关断驱动要求、开关时序、布局、寄生效应的影响、控制电流流动以及电路板上的电流电阻 (IR) 下降。

对于许多设计人员来说，利用评估套件是了解 GaN 器件功能以及如何使用它们的最有效方法。这些套件使用不同配置和功率级别的单个和多个 GaN 器件。它们还包括相关的无源元件，包括电容器、电感器、电阻器、二极管、温度传感器、保护器件和连接器。

从低功耗设备开始

EPC2065是低功率 GaN FET 的一个很好的例子。它的漏极-源极电压 (V DS ) 为 80 伏，漏极电流 (I D ) 为 60 安培 (A)，R DS(ON)为 3.6 毫欧 (mΩ)。它仅以带焊条的钝化芯片形式提供，尺寸为 3.5 × 1.95 毫米 (mm)(图 1)。

图 1：80 伏、60 A EPC2065 GaN FET 是带有集成焊条的钝化芯片器件。 (图片来源：EPC)

与其他 GaN 器件一样，EPC2065 的横向器件结构和多数载流子二极管可提供极低的总栅极电荷 (Q G ) 和零反向恢复电荷 (Q RR )。这些属性使其非常适合需要非常高的开关频率(高达数百千赫兹)和低导通时间的情况，以及那些通态损耗占主导地位的情况。

该器件由两个类似的评估套件支持：用于 20 A/500 瓦运行的EPC9167KIT和用于 20 A/1 千瓦 (kW) 运行的更高功率EPC9167HCKIT (图 2)。两者都是三相 BLDC 电机驱动逆变器板。

图 2：所示为 EPC9167 板的底部(左)和顶部(右)。 (图片来源：EPC)

基本 EPC9167KIT 配置为每个开关位置使用单个 FET，每相可提供高达 15 A RMS(标称值)和 20 A RMS(峰值)的电流。相比之下，电流较高的 EPC9167HC 配置在每个开关位置使用两个并联 FET，可提供高达 20 A RMS /30 A RMS(标称/峰值)输出电流的最大电流，这证明了 GaN FET 的配置相对容易。并联以获得更高的输出电流。图 3 显示了基础 EPC9167 板的框图。

图 3：所示为 BLDC 驱动应用中基础 EPC9167 板的框图;较高功率的 EPC9167HC 每个开关有两个并联的 EPC2065 器件，而较低功率的 EPC9167 每个开关只有一个 FET。 (图片来源：EPC)

EPC9167KIT 包含支持完整电机驱动逆变器的所有关键电路，包括栅极驱动器、用于内务电源的稳压辅助电源轨、电压检测、温度检测、电流检测和保护功能。

EPC9167 可与各种兼容控制器配合，并受到各个制造商的支持。利用现有资源，可以快速配置为电机驱动逆变器或DC-DC转换器，实现快速开发。在前一个角色中，它提供多相 DC-DC 转换，支持电机驱动应用中高达 250 kHz 的脉宽调制 (PWM) 开关频率;对于非电机 DC-DC 应用，其工作频率高达 500 kHz。

走向更高的权力

功率处理范围的另一端是EPC2302，这是一款 GaN FET，额定电压为 100 V/101 A，R DS(ON)仅为 1.8 mΩ 。它非常适合 40 至 60 伏高频 DC-DC 应用以及 48 伏 BLDC 电机驱动器。与 EPC2065 使用的带焊条的钝化芯片封装相比，该 GaN FET 采用低电感 QFN 封装，尺寸为 3 × 5 mm，顶部裸露，可实现卓越的热管理。

外壳顶部的热阻很低，每瓦仅为 0.2°C，从而实现出色的热性能并缓解冷却挑战。其暴露的顶部增强了顶部热管理，而侧面可润湿的侧面保证了整个侧焊盘表面在回流焊接过程中被焊料润湿。这可以保护铜并允许在该外部侧面区域进行焊接，以便于光学检查。

EPC2302 的占位面积不到具有相似 R DS(on)和额定电压的同类最佳硅 MOSFET 的一半，而其 Q G和 Q GD明显更小，并且 Q RR为零。这会降低开关损耗和栅极驱动器损耗。 EPC2302 的工作死区时间短于 10 纳秒 (ns)，可实现更高的效率，而其零值 Q RR可增强可靠性并最大限度地减少电磁干扰 (EMI)。

为了测试 EPC2302，EPC9186KIT电机控制器/驱动器电源管理评估板支持高达 5 kW 的电机，并可提供高达 150 A RMS和 212 A PEAK的最大输出电流(图 4)。

图 4：所示为 EPC2302 的 EPC9186KIT 5 kW 评估板的顶部(左)和底部(右)。 (图片来源：EPC)

为了实现更高的额定电流，EPC9186KIT 在每个开关位置使用四个并联 GaN FET，证明了使用这种方法可以轻松达到更高的电流水平。该板在电机驱动应用中支持高达 100 kHz 的 PWM 开关频率，并包含支持完整电机驱动逆变器的所有关键功能，包括栅极驱动器、稳压辅助内务电源、电压和温度感应、精确电流感应、和保护功能。

结论

电机逆变器是基本电源和电机之间的关键环节。设计更小、更高效率和更高性能的逆变器是一个日益重要的目标。虽然设计人员可以选择中档逆变器使用的关键功率开关器件的工艺技术，但 GaN 器件(例如 EPC 的器件)是首选。