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作者：Steven Keeping

對(duì)緊湊但功能強(qiáng)大的電機(jī)的需求為設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為了盡可能提高小型電機(jī)的功率輸出，工程師們開(kāi)始轉(zhuǎn)向高壓和高頻工作。硅(Si)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和集成柵極雙極晶體管(IGBT)—它們都是傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)模式逆變器（現(xiàn)代電機(jī)控制的重要組成部分）的基礎(chǔ)—正在努力應(yīng)對(duì)這些工作需求。有限的功率密度和擊穿電壓閾值限制了驅(qū)動(dòng)電壓，而高頻工作所需的快速開(kāi)關(guān)又推高了功率損耗，產(chǎn)生的結(jié)果就是效率低下、熱量積聚。

氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)為高電壓和高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供了MOSFET和IGBT的替代品。這些寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體器件為高功率密度電機(jī)開(kāi)辟了新的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兛梢蕴幚砀叩碾妷骸㈦娏?、溫度和開(kāi)關(guān)頻率，而且損耗比硅晶體管低得多。高功率密度電機(jī)應(yīng)用中的集成GaN HEMT以及驅(qū)動(dòng)逆變級(jí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這為新技術(shù)的采用提供了便利。

GaN HEMT逆變器是對(duì)新一代陶瓷電容器的補(bǔ)充，它可以處理高電壓尖峰和浪涌，而這些尖峰和浪涌可能會(huì)給高功率密度電機(jī)固有的傳統(tǒng)直流(DC)鏈路元件造成過(guò)大的壓力。

在下文中，我們將探討高功率密度電機(jī)功率級(jí)中使用的元件所面臨的挑戰(zhàn)，以及GaN HEMT和高性能陶瓷電容器為何能作為一種解決方案。

電機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)展

設(shè)計(jì)人員需要更小、更輕的電機(jī)，以提高現(xiàn)有產(chǎn)品的性能，并使其能夠用于各種新應(yīng)用。高電源電壓和控制頻率有望成為一種解決方案。

高壓工作的優(yōu)勢(shì)

電機(jī)標(biāo)稱功率是電源電壓乘以電流(V×A)的乘積。傳統(tǒng)電機(jī)在低電壓(<1000V)下運(yùn)行，需要在大電流下運(yùn)行才能產(chǎn)生高功率。大電流運(yùn)行的缺點(diǎn)是需要較大的線圈，這增加了線圈電阻，降低了效率，也提高了溫度。高壓(≥10kV)降低了對(duì)電流的要求，從而能夠使用較小的線圈。其缺點(diǎn)是電機(jī)元件（包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子元件）必須承受高電壓，限制了選擇并增加了成本，而且小線圈具有低電感繞組的特點(diǎn)，難以抑制開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生的電流紋波，這些電流紋波會(huì)導(dǎo)致電磁干擾(EMI)問(wèn)題。

高頻工作的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)代電機(jī)的一種常見(jiàn)類型是三相交流(AC)型，通過(guò)依次向電機(jī)的各相（繞組）施加電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子被繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拉動(dòng)，其轉(zhuǎn)速與工作頻率成正比（圖1）。

圖1：施加到感應(yīng)電機(jī)各相的正弦信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。（圖源：Sciencing）

脈寬調(diào)制(PWM)疊加在基本工作頻率上，用于控制啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)。半導(dǎo)體晶體管（通常為MOSFET或IGBT）的開(kāi)關(guān)決定了PWM波形。

高頻PWM的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于它可以減小電流紋波（整流后剩余的交流輸入痕跡），從而克服了較小線圈的缺點(diǎn)。電流紋波減小后，就可以采用更小、更便宜的無(wú)源元件進(jìn)行濾波。高頻工作還可以減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)（由于不完美的正弦波輸入到電機(jī)線圈而導(dǎo)致的電動(dòng)勢(shì)不均勻），這種波動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)和過(guò)早磨損。

總體而言，高頻開(kāi)關(guān)會(huì)提高功率密度（每單位體積產(chǎn)生的功率），從而使較小型電機(jī)的輸出能夠與較大型的設(shè)備相當(dāng)。

傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)已達(dá)到極限

傳統(tǒng)三相交流電機(jī)的工作電壓最高為1000V，開(kāi)關(guān)頻率最高為20kHz。這樣的工作參數(shù)完全在廉價(jià)且商業(yè)上廣泛使用的硅MOSFET的能力范圍之內(nèi)，這些MOSFET用于在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最后階段構(gòu)造逆變橋。

但是，由于以下原因，硅晶體管在高功率密度電機(jī)應(yīng)用中達(dá)到了極限。

此類元件相對(duì)較低的擊穿電壓限制了電源電壓；

隨著工作頻率上升，晶體管的開(kāi)關(guān)損耗（由晶體管每次從導(dǎo)通到關(guān)斷時(shí)的殘余電阻和電容引起）程度會(huì)迅速超過(guò)效率提高程度。

由于開(kāi)關(guān)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，此類器件的開(kāi)關(guān)頻率存在閾值，無(wú)法在更高頻率工作。

IGBT較高的擊穿電壓為工程師提供了一些喘息機(jī)會(huì)，使他們可以提高工作電壓和工作頻率。但當(dāng)工作頻率攀升至50kHz以上時(shí)，IGBT開(kāi)始出現(xiàn)不可接受的開(kāi)關(guān)損耗，并且無(wú)法快速開(kāi)關(guān)。

GaN HEMT的優(yōu)勢(shì)

盡管硅是電子工業(yè)的支柱，但其他半導(dǎo)體往往還是會(huì)用于需要高壓和高頻操作或需要耐受高溫的專業(yè)應(yīng)用。這些其他種類半導(dǎo)體具有寬禁帶(WBG)的特點(diǎn)。禁帶寬度是指在半導(dǎo)體中釋放電子實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電所需的能量。與硅相比，這些材料的電氣特性有顯著區(qū)別。WBG半導(dǎo)體的禁帶寬度為2eV至4eV，而硅的禁帶寬度為1eV至1.5eV。氮化鎵(GaN)就是一種成熟的商業(yè)化WBG半導(dǎo)體。

WBG的特性

在硅MOSFET中，高于100°C的溫度會(huì)影響受控開(kāi)關(guān)，因?yàn)橐恍╇娮訒?huì)從熱量（而非開(kāi)關(guān)電壓）中獲得足夠的能量，從而逃離母原子。由于WBG半導(dǎo)體的電子需要更多能量才能從原子中逃離并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，因此直到溫度達(dá)到300°C時(shí)，GaN晶體管才會(huì)出現(xiàn)相同的效果。

WBG半導(dǎo)體具有比硅更高的擊穿電壓（高于600V），其原理很復(fù)雜，但部分原因是由于一種稱為電子飽和速度（也稱為電子遷移率）的特性。更高的遷移率使WBG半導(dǎo)體材料能夠處理兩倍于硅的電流密度(A/cm2)。這一特性也使得GaN HEMT的開(kāi)關(guān)時(shí)間僅為硅MOSFET翻轉(zhuǎn)時(shí)間的四分之一。

由于寄生電阻和電極電阻的影響，所有半導(dǎo)體晶體管都會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)通功率損耗，此外諸如電極間電容等其他因素也會(huì)導(dǎo)致功率損耗。這些損耗發(fā)生在每次開(kāi)關(guān)晶體管時(shí)，并且與開(kāi)關(guān)頻率和電機(jī)電流成正比。GaN HEMT的寄生電阻和電極電阻約為硅MOSFET的一半，電極間電容約為后者的五分之一。這種差異表明，對(duì)于給定的開(kāi)關(guān)頻率和電機(jī)電流，GaN HEMT的開(kāi)關(guān)損耗約為硅MOSFET的10%至30%。IGBT在高頻下表現(xiàn)出比MOSFET更低的開(kāi)關(guān)損耗，但效率仍遠(yuǎn)低于GaN HEMT。

GaN HEMT還有一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是這種晶體管不會(huì)遭受反向恢復(fù)電荷的影響。反向恢復(fù)電荷是指硅MOSFET從導(dǎo)通到關(guān)斷時(shí)剩余的少數(shù)載流子電荷的耗散，它會(huì)導(dǎo)致硅MOSFET的開(kāi)關(guān)電流過(guò)沖（振鈴），從而可能導(dǎo)致EMI。

GaN HEMT在電機(jī)設(shè)計(jì)中的使用

GaN HEMT的電氣特性使其成為工程師們?cè)O(shè)計(jì)緊湊型、高壓和高頻電機(jī)的誘人主張?？傮w而言，這些設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

擊穿電壓高，有助于使用更高的輸入電壓（大于1000V）

電流密度高，使基于GaN的組件能夠在不降低功率處理能力的情況下縮小體積

具有快速開(kāi)關(guān)能力，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高頻（200kHz以上）工作

高頻工作，使輸出電流紋波得到限制，并且能夠減小濾波器組件的尺寸

開(kāi)關(guān)損耗低，使功率耗散得到限制，并提高效率

耐高溫，能夠使用較小的散熱器

高水平集成，可以將GaN HEMT制造在芯片上（不同于硅功率組件）。

縮短材料清單(BOM)，縮小解決方案尺寸，因?yàn)樵陔姍C(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案中，GaN HEMT可以處理續(xù)流電流，而不需要IGBT所需的反向并聯(lián)二極管。

這些優(yōu)勢(shì)使工程師能夠設(shè)計(jì)出高度緊湊的電機(jī)，其輸出功率與傳統(tǒng)電機(jī)相同，但體積不到傳統(tǒng)電機(jī)的一半，功耗也大大降低。GaN HEMT設(shè)計(jì)的關(guān)鍵缺點(diǎn)是對(duì)電路開(kāi)發(fā)和測(cè)試方面專業(yè)知識(shí)的要求很高。

集成解決方案能夠利用好GaN HEMT的優(yōu)勢(shì)

直到最近，硅MOSFET和IGBT還保留著相對(duì)于GaN HEMT的一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)—其廣泛的商業(yè)可用性。但時(shí)至今日，工程師們已經(jīng)可以輕松獲得GaN HEMT技術(shù)。更妙的是，一些硅供應(yīng)商現(xiàn)在提供了基于GaN HEMT的集成解決方案，從而簡(jiǎn)化了高壓和高頻交流電機(jī)逆變級(jí)。

以前，由于晶體管和驅(qū)動(dòng)器組件基于不同的工藝技術(shù)，而且往往由不同的制造商提供，因此GaN HEMT被封裝成分立器件，并帶有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器。這種做法的缺點(diǎn)是存在接合線，其寄生電阻和電感會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗。將GaN HEMT和驅(qū)動(dòng)器安裝在同一引線框架上可消除共源電感，這在快速開(kāi)關(guān)（高di/dt）電路中尤為重要。多余的電感會(huì)產(chǎn)生振鈴，并可能導(dǎo)致電流保護(hù)機(jī)制發(fā)生故障。集成封裝的第二個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：驅(qū)動(dòng)器中可以內(nèi)置熱傳感功能，以確保在出現(xiàn)過(guò)熱情況時(shí)，GaN HEMT在發(fā)生損壞之前關(guān)閉。

Texas Instruments在其LMG3410R070GaN功率級(jí)（圖2）中提供GaN HEMT和驅(qū)動(dòng)器集成。該公司將該產(chǎn)品描述為業(yè)界首款600VGaN驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。該器件是一個(gè)8mm×8mm的四方扁平無(wú)引線(QFN)多芯片模塊(MCM)，由一個(gè)集成20V串聯(lián)MOSFET的GaN HEMT和驅(qū)動(dòng)器組成。其導(dǎo)通電阻非常低，僅為75mΩ。柵極驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)置的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生關(guān)閉GaN HEMT所需的負(fù)電壓。

圖2：Texas Instruments的LMG3410R70GaN功率級(jí)在緊湊的封裝中集成了GaN HEMT和驅(qū)動(dòng)器。（圖源：Texas Instruments）

LMG3410GaN功率級(jí)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其可以控制硬開(kāi)關(guān)期間的壓擺率。這種控制對(duì)于限制印刷電路板(PCB)的寄生延滯和EMI非常重要。這款Texas Instruments產(chǎn)品采用可編程電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)GaN柵極，使壓擺率可以設(shè)置在30V/ns至100V/ns之間。

LMG3410還包括一個(gè)有用的故障輸出，如果開(kāi)關(guān)因故障事件而停止，可通知主機(jī)微控制器。

兩個(gè)半橋配置的緊湊型LMG3410GaN功率級(jí)可提供快速硬開(kāi)關(guān)、低開(kāi)關(guān)損耗、低寄生電感和零反向恢復(fù)電荷，而這些正是設(shè)計(jì)人員驅(qū)動(dòng)高功率密度電機(jī)各相所需的（圖3）。

圖3：該應(yīng)用電路原理圖顯示了兩個(gè)Texas Instruments的GaN功率級(jí)以半橋配置驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)的一相。（圖源：Texas Instruments）

構(gòu)建高性能電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器

完整的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案（圖4）包含三個(gè)元素：整流器（AC/DC轉(zhuǎn)換器）、直流鏈路和逆變器（DC/AC轉(zhuǎn)換器）。

圖4：該電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案原理圖說(shuō)明了直流鏈路電容器的位置。（圖源：KEMET）

整流器通常基于二極管或晶體管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將標(biāo)準(zhǔn)的50Hz或60Hz交流電源轉(zhuǎn)換為（近似）直流電源。來(lái)自整流器的直流電源經(jīng)過(guò)濾波后儲(chǔ)存在直流鏈路中，直到逆變器使用為止。然后，逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為三個(gè)正弦波PWM信號(hào)，每個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)相位。

直流電元件發(fā)揮了幾項(xiàng)關(guān)鍵作用：

濾除來(lái)自整流級(jí)的電流和電壓紋波

濾除可能損壞逆變器晶體管的整流器電壓瞬變

提高電路效率

限制可能會(huì)損壞晶體管的感應(yīng)電流

確保電力平穩(wěn)傳輸?shù)截?fù)載

直流鏈路電路由安裝在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的整流器級(jí)和逆變器級(jí)之間的電源線上的單個(gè)電容器組成，雖然實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但由于其對(duì)電機(jī)整體性能和效率的重要性，使得選擇高品質(zhì)組件變得至關(guān)重要。

直流鏈路在具有高壓擺率(dV/dt)和高電壓峰值的挑戰(zhàn)性條件下工作，因此設(shè)計(jì)人員必須選擇能夠承受這種壓力的器件。KEMETKC-LINK電容器使用陶瓷（鋯酸鈣，CaO3Zr）電介質(zhì)和鎳內(nèi)電極，是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)樗鼈兪菍ｉT(mén)為高壓、高頻直流鏈路應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

KC-LINK器件的關(guān)鍵特性是極低的等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)。低ESR和ESL值有助于提高效率，特別是在高壓應(yīng)用中。此外，電容器還可以在下一代電機(jī)應(yīng)用中常見(jiàn)的高頻和高溫下工作。這些電容器可以承受高達(dá)10MHz的頻率，并且可以承受?55°C至150°C的溫度范圍。這些器件還具有不隨電壓變化而發(fā)生電容偏移的特點(diǎn)，并通過(guò)了汽車(chē)級(jí)認(rèn)證。

結(jié)語(yǔ)

WBG半導(dǎo)體器件，例如用于電機(jī)逆變器的GaN HEMT和用于直流鏈路的高性能電容器等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，滿足了設(shè)計(jì)人員對(duì)用于高功率密度電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的可靠元件的需求。這些關(guān)鍵組件將使設(shè)計(jì)人員能夠使用更緊湊、更輕巧、更便宜的電機(jī)來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)有產(chǎn)品，同時(shí)將電機(jī)的使用擴(kuò)展到廣泛的新應(yīng)用中。此外，新一代的高功率密度電機(jī)將大大降低能源需求，為綠色地球做出貢獻(xiàn)。