采用GaN電機(jī)系統(tǒng)提高機(jī)器人應(yīng)用的效率和功率密度

機(jī)器人在各個(gè)市場(chǎng)都有著廣泛應(yīng)用，它們也呈現(xiàn)出多種形式，包括服務(wù)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人（cobot）、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)駕駛無(wú)人機(jī)和自動(dòng)引導(dǎo)車輛等。對(duì)于成功的機(jī)器人應(yīng)用，一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是確保最佳電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。就硅基（Si）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器而言，在效率和尺寸之間必須做出某種權(quán)衡。例如，較高的開關(guān)頻率允許使用較小的無(wú)源元件，但會(huì)導(dǎo)致較高的功耗。業(yè)內(nèi)一些人士提出，可以使用氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）來(lái)代替硅器件以減輕這種權(quán)衡。本文將探討基于GaN技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)原型這一提議。

GaN基電機(jī)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

圖1所示，為一個(gè)采用兩個(gè)100V、3mΩ  CoolGaN^TM SG HEMT半橋電路的100V GaN電機(jī)驅(qū)動(dòng)器頂層框圖。為了實(shí)現(xiàn)雙面冷卻，這些芯片在封裝頂部配有一個(gè)裸露管芯。半橋具有非常低的回路電感（400pH），這允許在器件峰值漏極電壓額定值內(nèi)以不到1ns實(shí)現(xiàn)快速電壓轉(zhuǎn)換。

圖1 基于CoolGaN? SG HEMT 100 V的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)圖示

該設(shè)計(jì)中使用的1EDN7126G柵極驅(qū)動(dòng)器是EiceDRIVER?  產(chǎn)品系列的一員，這些驅(qū)動(dòng)器專門設(shè)計(jì)用于GaN開關(guān)和邏輯電平MOSFET。為了提供開關(guān)速度方面的靈活性，可提供從0.5A（1EDN7146G）到2A（1EDN7116G）的不同源/匯（source/sink）電流強(qiáng)度。與使用單獨(dú)柵極電阻器相比，這種方案降低了電路布局復(fù)雜性和回路電感。

一種被稱為“真差分輸入”（TDI）的特性能夠保證快速開關(guān)瞬態(tài)期間的穩(wěn)定運(yùn)行，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)低側(cè)開關(guān)的極高抗接地反彈以及高側(cè)的高共模電壓抑制能力。因而，可以用同一驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)低側(cè)和高側(cè)HEMT。此外，1EDN71x6G系列在輸出級(jí)還具有有源米勒鉗位（Miller clamp），在柵極電壓下降到0.4V以下的3ns內(nèi)，可將下拉強(qiáng)度增加到5A。這在GaN HEMT的關(guān)斷速率方面提供了設(shè)計(jì)自由度，同時(shí)保持了高抗感應(yīng)導(dǎo)通能力。只有0.3Ω的下拉電阻意味著一旦驅(qū)動(dòng)器鎖定，即便在高速開關(guān)期間，柵極電壓也保持在0V。

三個(gè)半橋電路包括單獨(dú)的溫度和同相（in-phase）電流傳感器。為確保低外形設(shè)計(jì)，電路板的兩側(cè)還整合有與HEMT類似高度的100V陶瓷電容器。由于高開關(guān)頻率可降低電容器紋波電流，因此不再需要使用大容量電解電容器。在100kHz及以上頻率下運(yùn)行時(shí)，80μF的總直流鏈路電容就已經(jīng)足夠。

為了向低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器提供穩(wěn)定的電源電壓，該設(shè)計(jì)采用了48V到5V的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，而高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器則由1EDN71x6G EiceDRIVETM有源自舉鉗位功能供電。

為了優(yōu)化高頻功率環(huán)路電感，并充分利用CoolGaN HEMT提供的更快開關(guān)速度，可選擇同相電流傳感器而非傳統(tǒng)的低側(cè)電流測(cè)量。與差分電流放大器相比，隔離的同相電流傳感器對(duì)電壓瞬態(tài)具有更好的抗擾性。XENSIV? TLI4971采用基于單片霍爾元件的無(wú)磁芯設(shè)計(jì)，具有高線性輸出和可配置感測(cè)范圍（從±25到±120A），從而能夠滿足這些要求。即便是最苛刻的磁場(chǎng)定向控制（FOC）應(yīng)用也可以通過240kHz帶寬應(yīng)對(duì)。

XMC4400驅(qū)動(dòng)卡能夠?yàn)闊o(wú)傳感器FOC提供控制回路，更新速率為20 kHz，最大開關(guān)頻率為100kHz。通過將控制頻率增加到與開關(guān)頻率相同，可以在需要快速動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)的應(yīng)用中提供更高的控制帶寬。

圖2顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的俯視圖、側(cè)視圖和仰視圖。矩形區(qū)域（僅為56 mm x 40 mm，厚度為3.7mm）包括整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的所有部件，包括直流鏈路電容、電流傳感器、輔助電源和方便的測(cè)試點(diǎn)。總?cè)芤后w積為8.3 cm3，這意味著該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率密度為120 W/cm3或2 kW/in3，適用于需要1 kW功率處理能力的應(yīng)用。

圖2 CoolGaN? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的俯視圖、剖面圖和側(cè)視圖

繞組絕緣損壞和軸承磨損是限制電機(jī)電壓變化率的兩個(gè)因素。對(duì)于48V電機(jī)，繞組絕緣通常不是一個(gè)重要問題，因?yàn)檫@些電機(jī)通常具有更高的電壓絕緣額定值。然而，軸承磨損可能是一個(gè)較大問題，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)速度有時(shí)會(huì)受到限制。此外，將驅(qū)動(dòng)器連接到電機(jī)的電纜會(huì)顯著影響電機(jī)的有效dV/dt，如圖3所示。這里，電機(jī)的dV/dt大約比CoolGaN電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的dV/dc低一個(gè)數(shù)量級(jí)（4.9 vs.51 V/ns）。在確定軸承的壽命和可接受的dV/dt時(shí)，還必須考慮機(jī)械負(fù)載、標(biāo)稱轉(zhuǎn)速（RPM）和溫度等特定應(yīng)用因素。

圖3  直接在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的開關(guān)波形與緊密探測(cè)環(huán)（綠松石色）（位于螺釘端子處略微延伸探測(cè)環(huán)（灰色）），以及直接使用光學(xué)隔離差分探頭（綠色和紫色）測(cè)量的兩相之間電機(jī)端子處比較

較高開關(guān)頻率可提高系統(tǒng)效率

CoolGaN的高開關(guān)速度? 器件在選擇開關(guān)頻率時(shí)能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)師提供更多選擇，允許他們檢查端到端效率和總解決方案大小，而不僅僅是逆變器的效率。

結(jié)合市場(chǎng)商用的低電感（20μH相間）高極數(shù)（pole-count）（14P）無(wú)人機(jī)電機(jī)，基于CoolGaN?的電機(jī)驅(qū)動(dòng)整體系統(tǒng)效率在20、60和100 kHz開關(guān)頻率下分別進(jìn)行了測(cè)量，使用測(cè)力計(jì)測(cè)量電機(jī)的機(jī)械輸出功率，使用萬(wàn)用表測(cè)量逆變器的直流電輸入功率。圖4比較了20和100 kHz下100 W和500 W運(yùn)行的相電流波形。這表明，更高的開關(guān)頻率導(dǎo)致更低的電流紋波、更低的RMS電流和更少的散熱。在100W時(shí)，RMS電流從5.6A降至4.5A（降低20%）；在500W時(shí)，電流從26.2A降低到23.1A（降低12%）。

圖4 100W（左）和500W（右）運(yùn)行時(shí)的相電流波形

雖然在較高開關(guān)頻率下RMS相電流的降低在輕負(fù)載下更為明顯，但在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)可以觀察到對(duì)于繞組溫度的益處。如圖5所示，在500 W機(jī)械輸出功率下，繞組溫度從20 kHz時(shí)的110°C降至100 kHz時(shí)的約80°C。對(duì)于像協(xié)同機(jī)器人等需要限制散熱的應(yīng)用，這是一個(gè)重要的改進(jìn)。

圖5 20、60和100 kHz運(yùn)行時(shí)的電機(jī)繞組溫度

電機(jī)溫度的降低是由于其中電流紋波減小，從而降低了繞組和鐵芯損耗；然而，開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，一般情況下會(huì)增大逆變器中的功率損耗和散熱。對(duì)于傳統(tǒng)的基于MOSFET或IGBT的設(shè)計(jì)，這將是一個(gè)負(fù)面的權(quán)衡。然而，如圖6所示，由于CoolGaN? HEMT極低的開關(guān)損耗，端到端效率隨著開關(guān)頻率的增大而提高。

圖6 20和60kHz頻率下端到端效率

總結(jié)

本文介紹了使用GaN開關(guān)器件的無(wú)傳感器FOC 48V應(yīng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)估表明，GaN器件允許采用更高的開關(guān)頻率，而不會(huì)降低系統(tǒng)效率或超過熱管理極限。更高的開關(guān)頻率可改進(jìn)端到端系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)更低的電機(jī)溫度和更高的功率密度。設(shè)計(jì)具備的小尺寸意味著電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以嵌入在底座附近（例如，在機(jī)器人手臂內(nèi)部），從而減少長(zhǎng)電纜連接引起的EMI。