【導讀】無刷直流電機（BLDC）在機器人、電動工具、家電和無人機中的應用越來越多。這些應用要求設備具備輕便、小巧、低轉矩脈動、低噪音和極高的精度控制。為了滿足這些需求，驅動電機的逆變器需要以更高頻率運行，同時需要先進的技術來減少由此產生的更高功率損耗。
無刷直流電機（BLDC）在機器人、電動工具、家電和無人機中的應用越來越多。這些應用要求設備具備輕便、小巧、低轉矩脈動、低噪音和極高的精度控制。為了滿足這些需求，驅動電機的逆變器需要以更高頻率運行，同時需要先進的技術來減少由此產生的更高功率損耗。
氮化鎵（GaN）晶體管和集成電路能夠在不顯著增加損耗的情況下以更高頻率運行，相比于基于硅的設備，它們能夠顯著降低成本、噪音、尺寸和重量。也正因此，GaN在電機驅動領域展現出了巨大的潛力。
同時，在快充市場，GaN早已被廣泛使用，也證明了其足夠的安全可靠性。
GaN在電機驅動中的基本優勢
GaN相比傳統硅具有顯著的優勢，包括更高的電子遷移率、更高的擊穿電壓和更低的導通電阻。這些特性使得GaN器件能夠在更高頻率下工作，同時降低功率損耗。
高效率：GaN器件的導通損耗和開關損耗顯著低于傳統硅器件。例如，TI的DRV7308 GaN IPM可以將逆變器效率提高到99%以上，而傳統的IGBT解決方案只能達到97%。
高功率密度：GaN器件允許更高的開關頻率，減少了被動元件的尺寸，從而提高了系統的功率密度。DRV7308 GaN IPM的封裝尺寸僅為12mm x 12mm，比傳統250W IPM小55%，可以將PCB尺寸減少65%以上。
更好的熱管理：由于GaN器件的低功率損耗，許多應用中可以不需要散熱器，同時進一步減小系統尺寸和成本。
高頻率操作：GaN器件能夠在高達3 MHz的頻率下工作，滿足高精度控制和低扭矩波動的要求。
集成化設計：例如，EPC2152 GaN ePower Stage集成了兩個70V、10mΩ的FET和一個自包含的半橋柵極驅動器，極大地減少了公共源電感（CSI）和柵極環路電感。而TI的DRV7308 IPM則包含了六個FET和其他保護及驅動電路。
降低成本：由于GaN器件的高效率和高功率密度，系統設計可以更緊湊，從而減少PCB和散熱器的成本。例如，在一個250W的HVAC壓縮機系統中，使用DRV7308 GaN IPM可以節省超過2美元的系統成本。
使用 GaN 消除電機驅動設計中的死區時間
如圖所示，GaN在BLDC上的優勢可以分為兩部分，一個是更高的效率，另外則是更低的死區時間。
在電源轉換領域，死區時間是設計中必不可少但又繁重的方面，迫使工程師做出讓步以確保可靠性。然而，最近的技術進步，尤其是GaN FET 的出現，可以降低死區時間，同時提升電機驅動器的性能。
了解死區時間
死區時間是指關閉一個功率器件和打開另一個功率器件之間的延遲，這對于防止同時導通和潛在短路至關重要。例如，在同步降壓轉換器中，兩個器件同時導通可能導致額外的損耗、更高的工作溫度，甚至災難性的故障。
控制死區時間由控制器插入，可確保正有效死區時間。計算此死區時間是一個復雜的過程，需要考慮傳播延遲、柵極電阻值和 FET 開啟/關閉時間等因素。由于 GaN 器件沒有體二極管反向恢復且開關時間更快，因此與硅 MOSFET 相比，GaN 器件的死區時間更短。
電機驅動死區時間
死區時間的一個主要影響是零電流交叉期間失真增加。這是因為在死區時間內，逆變器支路中的高端和低端設備都處于關閉狀態，因此施加到電機的實際電壓取決于電流的符號。在零電流交叉處，該電壓突然改變符號，產生電壓失真，導致電機電流波形中出現高階諧波。這些電流不會產生任何有用的扭矩，但會導致電機繞組損耗增加，整體效率降低。
死區時間對正弦電機驅動中過零失真的影響比較
減少電機驅動器中的死區時間對于提高效率至關重要。通過最小化死區時間，可以減少失真，從而實現更平滑的電流波形和更低的損耗。這最終會提高電機效率和整體系統性能。
死區時間減少和 PWM 頻率增加對正弦電機驅動的綜合影響
GaN能夠為電機驅動應用實現更好的死區時間優化：
開關速度：與硅 MOSFET 相比，GaN FET 具有更快的開關速度。這允許對死區時間進行更精確的控制，因為 GaN FET 的關斷和開啟時間明顯更短。這種更快的開關速度允許對死區時間進行更嚴格的控制。
降低柵極電容：與硅 MOSFET 相比，GaN FET 具有更低的柵極電容。這意味著它們可以更快地打開和關閉，從而縮短死區時間，而不會產生擊穿電流的風險。這可以實現更高效的運行，并更好地優化電機驅動應用中的死區時間。
零反向恢復電荷：GaN FET 沒有像硅 MOSFET 那樣的體二極管，從而消除了與硅器件相關的反向恢復電荷。這減少了電機驅動應用中所需的有效死區時間，因為無需考慮體二極管的恢復時間。
在電機驅動器中使用寬禁帶開關器件的機會
低電感電機
低電感電機有許多不同應用，包括大氣隙電機、無槽電機和低泄露感應電機。它們也可被用在使用 PCB 定子而非繞組定子的新電機類型中。這些電機需要高開關頻率（50-100 kHz）來維持所需的紋波電流。
然而，使用標準的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）無法滿足這些需求，因為它們只能實現最高頻率為 20 KHz 的大功率開關。當采用硅 MOSFET 工作于這些頻率時產生的損耗較大，這就為寬禁帶器件開創了新的機會。
高速電機
由于擁有高基波頻率，這些電機也需要高開關頻率。它們適用于高功率密度電動汽車、高極數電機、擁有高扭矩密度的高速電機以及兆瓦級高速電機等應用。同樣，MOSFET 和 IGBT 能夠達到的最高開關頻率受到限制，而通過使用寬禁帶開關器件可能能夠突破這些限制。
惡劣工況
在電機控制逆變器中使用寬禁帶器件有兩個引人關注的益處。第一，它們產生的熱量比硅器件少，降低了散熱需求。第二，它們能承受更高工作溫度——SiC：600°C，GaN：300°C，而硅器件能承受的最高工作溫度僅為 200°C。
雖然 GaN 器件目前存在一些與封裝有關的問題，導致它們所適用的工作溫度不能超過 200°C，但專注于解決這些問題的研究正在進行中。因此，寬禁帶器件更適合可能面臨惡劣工況的電機應用，比如混合動力電動汽車（HEV）中的集成電機驅動器、海底和井下應用、空間應用等。
總結在電機驅動器中使用寬禁帶器件的機會
在電機驅動器中使用寬禁帶器件的挑戰
雖然在電機驅動系統中使用寬禁帶器件明顯具有許多極具吸引力的益處，但其中仍有一些挑戰需要克服。
繞組絕緣
第一個風險與匝間短路有關，因為寬禁帶器件是以現用電機繞組絕緣所無法承受的速度進行開關，所以可能發生匝間短路。解決這一風險的潛在方法有兩種。第一種是限制電壓變化率（dv/dt），但這意味著無法充分發揮寬禁帶器件的全部潛能，且提高了逆變器損耗。第二種是研究和進一步開發能夠承受這些開關頻率和電壓變化率（dv/dt）的新型絕緣材料。
軸承壽命
更快開關速度會增加電機軸承的局部放電，這可能降低軸承（和電機）壽命，從而削弱了使用寬禁帶器件能夠實現的益處。解決這一問題的潛在方法之一是使用擁有陶瓷涂層的軸承。遺憾的是，它們非常昂貴，會導致電機造價增加。
電纜長度
更高開關頻率會造成信號在較長的電纜上發生反射的問題。解決這一問題的方法之一是使用濾波器，但這會導致系統中新增了濾波器損耗。目前正在研究如何提高集成度，比如通過將逆變器置于離電機更近的位置，來縮短電纜長度，降低電纜上的信號反射影響。
總結
GaN（GaN）技術在電機驅動領域的應用展示了顯著的優勢和廣闊的前景。憑借其高效能、高功率密度和優越的熱管理特性，GaN器件不僅提升了電機驅動的效率和性能，還顯著減小了系統尺寸和成本。盡管在應用過程中存在一些挑戰，如繞組絕緣、軸承壽命和電纜長度等問題，但隨著技術的不斷進步和創新，這些問題有望得到有效解決。GaN技術的引入，無疑為電機驅動系統帶來了全新的變革和無限的可能性。
參考文獻：
EPC：eBook-GaN Devices for Motor Drive Applications
英飛凌：Infineon-Wide_bandgap_switches_in_motor_drives_systems-Whitepaper-v01_00-CN
德州儀器：Achieving household energy efficiency and cost savings
with GaN-based motor system designs
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