電機(jī)驅(qū)動消耗了歐洲近 50% 的電力 [1]。因此，各國政府制定了法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以確保盡可能高效地消耗電力，同時將對供電網(wǎng)的影響和中斷降至。變速驅(qū)動器 (VSD) 現(xiàn)在在行業(yè)中很常見，因為與老式恒速感應(yīng)電機(jī)相比，它們可減少高達(dá) 90% 的能源使用量 [2]，同時具有減小電機(jī)尺寸、提高動態(tài)性能和可靠性等額外優(yōu)勢。
IEC 61000 等標(biāo)準(zhǔn)的制定是為了在電氣設(shè)備的抗擾度和輻射方面支持供電網(wǎng)，因為電機(jī)驅(qū)動器帶來的大型感性負(fù)載會顯著影響本地電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中采用了各種技術(shù)，包括有源功率因數(shù)校正 (PFC)，它將失真波調(diào)制回正弦波，以限度地提高電網(wǎng)供應(yīng)的有功功率。
GaN 提高了性能和成本
氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，與舊的硅半導(dǎo)體相比，具有卓越的特性，包括開關(guān)速度提高 20 倍、功率密度提高 3 倍以上的能力。將 GaN 功率器件應(yīng)用到 PFC 和逆變器級電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中可顯著降低功率損耗和尺寸，從而實現(xiàn)逆變器與電機(jī)的集成。本文詳細(xì)介紹了 Navitas 創(chuàng)建的 400 W 電機(jī)集成逆變器參考設(shè)計。
GaN FET 不具有任何反向恢復(fù)電荷，可實現(xiàn)極快的開關(guān)速度，開關(guān)損耗比硅 IGBT 和 MOSFET 低 4-5 倍，總功率損耗降低約 50%。功率的降低意味著設(shè)備散發(fā)的熱量減少，從而可以減小散熱器的尺寸，甚至在低功率驅(qū)動器中消除散熱器。2021 年，散熱器級機(jī)加工鋁的成本達(dá)到 13 年來的水平，價格約為 8 美元/公斤，因此限度地減少散熱器需求可以顯著節(jié)省系統(tǒng)總成本。此外，由于系統(tǒng)重量減輕，運輸成本也降低。
極低的開關(guān)損耗和無反向恢復(fù)相結(jié)合，為開關(guān)頻率以及 VSD 的熱設(shè)計提供了新的自由度。電機(jī)集成逆變器的工作條件很困難，除了振動和強(qiáng)磁場之外，環(huán)境溫度可能相當(dāng)高，使得功率半導(dǎo)體的冷卻變得棘手，因此從不會產(chǎn)生大量電流的電源開關(guān)開始。熱首先。
集成提高了電機(jī)驅(qū)動器的效率、控制和魯棒性
GaNSense 技術(shù)將 GaN 電源的性能與驅(qū)動器、保護(hù)和動態(tài)傳感功能集成在一起，使其成為高可靠性電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用的理想選擇。優(yōu)化的柵極驅(qū)??動電路以及相關(guān)的穩(wěn)壓器和過溫、過流檢測等保護(hù)電路具有自主的自我保護(hù)能力。所有這些功能都完全集成，從而實現(xiàn)了卓越的性能和的可靠性。輸入信號可以通過簡單的數(shù)字信號進(jìn)行控制，從而消除了外部元件并減少了 PCB 面積。這對于緊湊型電機(jī)驅(qū)動器非常有利，因為完整的電子系統(tǒng)可以安裝在電機(jī)外殼中。
圖 1. 采用 Navitas 的 GaNSense 技術(shù)的完全集成 GaNFast IC 的簡化框圖。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
與分立式硅或分立式 GaN 方法相比，GaNSense? 技術(shù)只需 30 ns 即可“檢測和保護(hù)”，比硅或分立式 GaN 快 6 倍，從而提高了系統(tǒng)級可靠性。更多詳細(xì)信息請參見應(yīng)用筆記 AN015。
與散熱器上傳統(tǒng)的低精度溫度傳感器相比，電源開關(guān)上集成的溫度控制可提供更高的精度和實時感測。這對于不易維修的電機(jī)集成驅(qū)動應(yīng)用至關(guān)重要，尤其是在工業(yè)環(huán)境中，需要的可靠性和正常運行時間。內(nèi)置的過溫保護(hù)電路會在超過設(shè)定溫度時關(guān)閉GaN IC，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的快速保護(hù)。
GaNSense 技術(shù)中的無損電流感測優(yōu)勢消除了對大型且昂貴的分流電阻器的需求，從而顯著減小了系統(tǒng)尺寸和成本，同時保持了快速過流保護(hù)，以實現(xiàn)工廠自動化工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器所需的系統(tǒng)魯棒性。
此外，組件總數(shù)減少，從而顯著降低 FIT（及時故障）率并提高系統(tǒng)可靠性。Navitas 近宣布為其產(chǎn)品提供 20 年有限保修，這在業(yè)界尚屬首次，凸顯了其卓越的可靠性。
Navitas 正在推出半橋拓?fù)涞娜盗?GaN 功率 IC，如表 1 所示。由于存在多個具有不同 RDSON 值且引腳兼容的不同 GaN 功率半橋 IC，因此該設(shè)計可以輕松擴(kuò)展或權(quán)力下降。
表 1. Navitas 半橋拓?fù)涞?GaN 功率 IC 產(chǎn)品組合
NV6247半橋650800160/160PQFN 6x8生產(chǎn)
NV6245C半橋275/275PQFN 6x8工程
所有新型半橋產(chǎn)品均采用節(jié)省空間的 PQFN 封裝，可實現(xiàn)與 PCB 的良好熱連接以及低寄生電感和電阻，并表現(xiàn)出與 Navitas 單電源開關(guān)相同的穩(wěn)健性和可靠性，特別是高瞬態(tài)電壓能力（ 650V 連續(xù)，800V 瞬態(tài)）。它們享受近宣布的 20 年保修。有關(guān)產(chǎn)品性能和穩(wěn)健性的更多信息，請參閱其各自的數(shù)據(jù)表 [3] 和 www.navitassemi.com [5] 上的專用應(yīng)用說明 AN-018。
電機(jī)集成逆變器參考設(shè)計
半橋拓?fù)渲?GaN 功率 IC 的可用性使得能夠?qū)崿F(xiàn)非常緊湊的電機(jī)逆變器，如圖 2 所示。
該逆變器由 Navitas 的三個半橋 GaN 功率 IC（新型 NV6247）組成。它包含輸入邏輯、電平轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器和柵極驅(qū)動器、電流和溫度檢測電路以及自舉電源。因此，外部元件數(shù)量非常少。
逆變器三個支路之一的示意圖如下圖 3 所示。所示為第二相電路，所有三相均相同。主要組件是 NV6247，集成了半橋配置中的兩個功率開關(guān)、柵極驅(qū)動器及其穩(wěn)壓器以及標(biāo)記為“PWM”的輸入邏輯。內(nèi)置自舉電路用于向高側(cè)驅(qū)動器提供柵極驅(qū)動電源。還包括一個電平轉(zhuǎn)換器，以便輸入信號可以接地為參考，使該器件成為真正意義上的數(shù)字可控功率級。
圖 2. 帶有 400W 電機(jī)逆變器功率級的圓形 PCB，連接到 BLDC 電機(jī)的背面，直徑為 56mm。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
此外，還包括多種傳感功能。首先，流經(jīng)內(nèi)部低側(cè) GaN 功率 FET 的電流在內(nèi)部被感測，然后在電流感測輸出引腳 (CS) 處轉(zhuǎn)換??為電流。其次，結(jié)溫通過柵極驅(qū)動器上的電路進(jìn)行感測，并在過熱時用于關(guān)閉電源開關(guān)。
IC 引腳包括高側(cè) GaN 功率 FET 的漏極（VIN，連接到 VBUS）、半橋中點開關(guān)節(jié)點（VSW，連接到 PHB）、低側(cè) GaN 功率 FET 的源極和IC GND (PGND)、低側(cè) IC 電源 (VCC)、低側(cè)柵極驅(qū)動電源 (VDDL)、低側(cè)導(dǎo)通 dV/dt 控制 (RDDL)、低側(cè) 5V 電源 (5VL)、低側(cè)側(cè)參考 PWM 輸入（INL、INH）、低側(cè)電流檢測輸出（CS）、自動待機(jī)使能輸入（/STBY）、高側(cè)電源（VB）、高側(cè)柵極驅(qū)動電源（VDDH）和高側(cè)側(cè) 5V 電源 (5VH)。IC 周圍的外部低側(cè)元件包括連接在 VCC 引腳和 PGND 之間的 VCC 電源電容（CVCC）、連接在 VDDL 引腳和 PGND 之間的 VDDL 電源電容（CVDDL）、連接在 VDDL 之間的導(dǎo)通 dV/dt 設(shè)置電阻（RDDL）引腳和 RDDL 引腳，連接在 CS 引腳和 PGND 之間的電流檢測幅度設(shè)置電阻（RSET），連接在 5VL 引腳和 PGND 之間的 5V 電源電容器（C5VL），以及連接到 PGND 以啟用自動待機(jī)模式的自動待機(jī)使能引腳（/STBY）或連接到5VL 禁用自動待機(jī)模式。IC 周圍的外部高邊元件包括連接在 VB 引腳和 VSW 之間的 VB 電源電容器（CVB）、連接在 VDDH 引腳和 VSW 之間的 VDDH 電源電容器（CVDDH）以及連接在 5VH 引腳和 VSW 之間的 5V 電源電容器（C5VH）。必須仔細(xì)選擇高側(cè) VB、5VH 和 VDDH 旁路電容器，以適應(yīng)各種系統(tǒng)考慮因素，例如高側(cè)喚醒時間、高側(cè)保持時間和待機(jī)功耗。右側(cè)可以看到 VBUS 阻擋帽，PCB 允許使用薄膜或電解帽。它們的目的是抑制由于電源和開關(guān)動作中的寄生電感而可能發(fā)生的任何類型的振鈴，因為該板是為直流輸入而設(shè)計的。，R17 和 C18 可用于抑制交換機(jī)節(jié)點上的振鈴，因為它可能是由長電纜及其電感引起的，并且是可選的。
值得注意的是，電源開關(guān)的開關(guān)速度可以通過外部電阻器（本例中為 R7）進(jìn)行調(diào)整。雖然降低開關(guān)速度確實會增加開關(guān)損耗，但影響并不大，因為開關(guān)損耗本來就非常低。這樣，開關(guān)速度就可以根據(jù)電機(jī)的需要進(jìn)行調(diào)整，并且可以調(diào)整產(chǎn)生的 EMI 以符合所有要求的法規(guī)，并且可以縮小 EMI 濾波器組件的尺寸。50Ω 的值是一個很好的起點。
圖 3. 三個逆變器支路之一的原理圖，顯示除了 GaN 功率 IC 之外，只需要很少的外部組件。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
CS 引腳 (R8) 上的電阻器可根據(jù)微控制器及其 ADC 輸入的需要進(jìn)行設(shè)置，以適當(dāng)縮放電壓。然而，如果該引腳上的電壓超過1.9V，則會觸發(fā)過流保護(hù)。需要注意的是，CS引腳上電阻的選擇會影響功率級中電流對應(yīng)的電壓以及過流保護(hù)。
自動待機(jī)模式旨在降低 NV6247 在不切換時的功耗。如果在超過約 90 ?s 的時間內(nèi)沒有檢測到更多輸入脈沖，IC 將自動進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。這將禁用柵極驅(qū)動器和其他內(nèi)部電路，并將 VCC 電源電流降低至較低水平。當(dāng)INL脈沖重新啟動時，IC將在INL輸入的個上升沿延遲（通常約為450ns）后喚醒，并再次進(jìn)入正常工作模式。 |
