实现更小、更轻、更平稳的电机驱动器的氮化镓器件
2022/12/12 8:48:12 材料来源：PSD功率系统设计
作者：Marco Palma，宜普电源转换公司（EPC）
目前的永磁电机或称为直流无刷电机(BLDC)的应用非常广泛。与其他电机相比，永磁电机可提供每立方英寸更高的扭矩和更优越的动态性能。到目前为止，硅基功率器件在逆变器电子领域中一直占主导地位�？墒�，它们的性能已接近理论极限[1-2]，而且市场对更高功率密度的需求日益增加。氮化镓(GaN)晶体管和IC具有优越特性，可以满足这些需求。
氮化镓器件具备卓越的开关性能，有助消除死区时间且增加PWM频率，从而获得无与伦比的正弦电压和电流波形，让电机实现更平稳、更安静的运行和更高的系统效率。由基于氮化镓器件的逆变器以更高的PWM频率和最短促的死区时间驱动时，电机变得更有效率。把输入滤波器中的电解电容器改为使用更小、成本更低且更可靠的陶瓷电容器，可增加功率密度。
氮化镓器件使得电机驱动器在减小尺寸和重量的同时，可以实现更平稳的运行。这些优势对于仓储和物流机器人、伺服驱动器、电动自行车和电动滑板车、协作机器人和医疗机器人、工业无人机和汽车电机等应用中的电机驱动器来说，至关重要。
基于硅器件的逆变器的限制
逆变器的功耗由传导损耗和开关损耗组成。传导损耗与开关的RDS(on)成正比。降低沟道电阻有助于降低传导损耗，但会增加开关损耗。传导损耗和开关损耗的关系取决于采用什么技术。
直流和电池供电的电机驱动应用的直流总线电压范围为 24 VDC 至 96 VDC。对于硅MOSFET，其PWM频率保持在 40 kHz 以下，死区时间在 200 ns 至 500 ns 范围内。低PWM频率避免了Si MOSFET固有的高开关损耗。
扭矩中的六次谐波损耗
对于硅器件，其必需的死区时间产生扭矩中电频率的 6 次谐波，它降低了电机效率并同时增加传递到负载和绕组温度的振动。
氮化镓器件的优势
由于氮化镓器件具有较低的开关损耗且没有体二极管pn结，因此在硬开关中，没有相关的反向恢复。这两个因素有助于消除死区时间并将PWM频率增加到可以用陶瓷电容器代替输入滤波器，其优点是可实现更小、更轻的逆变器，从而可以更安静地运行。电机在较低温度下实现更平稳的运行、效率更高。而使用陶瓷电容器可以降低成本和提高系统的可靠性[3]。
体二极管反向恢复
当半桥MOSFET与其互补开关的体二极管导通时，必须应对反向恢复电流，这取决于负载电流和导通的di/dt[6]。因此，通常的做法是减慢导通以降低di/dt、降低反向恢复电流。但这需要增加施加在半桥器件的最小死区时间。
GaN FET可实现具有可重复且平滑的 dv/dt，从而减少死区时间。
消除死区时间的影响
采用分立式eGaN®FET或GaN ePowerTM功率级IC[4]的逆变器，其死区时间可以减少到几十纳秒，从而使得平滑的电压波形可以施加到电机端子。图1和2显示了在两个不同死区时间的调制电压和相电流的差异。消除死区时间可以提高所施加的正弦电压的质量（就THD而言），继而实现减少相电流失真、振动和电机所产生的噪声。
图 1：在 20 kHz 和 500 ns 死区时间的电压调制和相电流。
图 2 ：在 20 kHz 和 14 ns 死区时间的电压调制和相电流。
死区时间导致每个电气循环合共出现 6 次停摆，表现为施加到电机的扭矩中的 6 次谐波。图3和4展示出扭矩信号频谱的比较。使用基于氮化镓器件的逆变器，施加的扭矩更平滑，而且电机的效率更高，因为所有电流都转换为施加到负载的扭矩。
图 3：500 ns死区时间对扭矩信号的影响；电频率为 27 Hz，可见 6 次谐波。扭矩信号从扭矩传感器取得。
基于氮化镓器件的逆变器可以在100 kHz PWM频率下运行。输入电压纹波是逆变器输出峰值电流、输入电容值和PWM开关频率的函数[5]。
图 4：14 ns 死区时间对扭矩信号的影响；电频率为 27 Hz，扭矩 6 次谐波为零。
提高PWM频率的影响
减少输入滤波器
如果PWM频率从 20 kHz 增加到 100 kHz，输入电容可以减少至少五倍以保持相同的输入电压纹波。
输入电流纹波与PWM频率成反比。增加PWM频率可双倍降低输入电流纹波和输入电压纹波。
对于低PWM频率(20 kHz)，所需的输入电容由极化电解或钽电容器构成。电解电容器限制了它们可以支持的RMS电流量，而钽电容器则非常昂贵。
当PWM频率增加时，所需的最小化电容会降低，从而允许使用陶瓷电容器。在100和200 kHz之间的范围内，陶瓷电容器具有较低的串联阻抗、温度更稳定且更可靠，从而在给定的相同功耗和功率输出条件下，实现更小型化和更可靠的逆变器。
图5和6显示了在比较由传统逆变器和GaN逆变器组成的两种不同设置的输入电流、输入电压和输出电流的纹波。
两种设置都以36 VDC电池电压和 5 ARMS 相电流运行电动自行车的电机。由于输入电压和电流纹波相似，因此预期EMI相同。在基于氮化镓器件的100 kHz 解决方案中，输出电流纹波降低，而电机的电流具有更好的正弦形状。
图 5：带有 LC 输入滤波器的传统逆变器，PWM = 20 kHz、DT = 500 ns、L = 6 µH、C = 2 x 330 µF 电解电容器；U相电流500 mA/div、输入电压200 mV/div、输入电流200 mA/div和 50 µs/div 缩放时间刻度。
图 6：没有输入滤波器、基于氮化镓器件的逆变器于PWM = 100 kHz、DT = 21 ns、C = 2 x 22 µF 陶瓷； U相电流 500 mA/div、输入电压 200 mV/div、输入电流 200 mA/div 和 10 µs/div 缩放时间刻度。
系统效率
我们比较了使用功率计系统的两种设置（见图5和6），与传统逆变器在低PWM频率工作并使用输入LC滤波器相比，基于氮化镓器件且在100 kHz工作的逆变器具有更高的总系统效率。
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Setup |
Inverter (20kHz, 500 ns dead time) 400 RPM 5 Arms |
GaN Inverter (100kHz, 14 ns dead time 400 RPM, 5 Arms) |
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Input Inductance |
2.7 µH |
None |
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Input capacitor |
660 µF electrolytic |
44 µF ceramic |
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Pin |
121.3 W |
113.3 W |
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Pout |
119.6 W |
111.3 W |
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ηinverter |
98.5% |
98.2% |
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Speed |
42.25 rad/s |
41.94 rad/s |
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Torque |
1.876 N |
1.940 N |
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Pmech |
79.3 W |
81.36 W |
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ηmotor |
66.3% |
73.1% |
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ηtotal efficiency |
65.3% |
71.8% |
表1：基于Si和氮化镓器件逆变器的系统的效率比较。扭矩和速度用传感器测量。
表1展示出当基于硅器件的 20 kHz 逆变器转为采用氮化镓器件的100 kHz 逆变器，差不多没有死区时间、缩小了输入滤波器的尺寸、降低重量和成本，而且在特定的工作测量点的总系统效率提升了6.5%。
总结
直流和电池供电的电机应用正在从采用传统的Si MOSFET的低频PWM逆变器，转为采用氮化镓器件的高频PWM逆变器，其优势是实现更高的系统效率而无需使用电解电容器和输入电感器。
参考资料：
1 Lidow, A., De Rooij, M., Strydom, J., Reusch, D., Glaser, J., GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Third Edition, Wiley. ISBN 978-1-119-59414-7
2 Baliga, B. J., “Power semiconductor device figure of merit for high frequency applications,” IEEE electron Device Lett., vol. 10, p. 455, Oct. 1989.
3 Albertsen A., “Reliability of electrolytic capacitors,” Jianghai Europe Electronic Components GmbH
4 Glaser, J., Reusch, D., “Comparison of deadtime effects on the performance of dc-dc converters with gan fets and silicon mosfets,” 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)
5 Vujacic, M., Hammami, M., Srndovic, M., Grandi, G., "Analysis of dc-link voltage switching ripple in three-phase PWM inverters," Energies. 2018; 11(2):471. [Online]. Available: https://doi.org/10.3390/en11020471.
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