三相集成GaN技術(shù)如何更大限度地提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能

在應(yīng)對消費(fèi)類電器、樓宇暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)和工業(yè)驅(qū)動(dòng)裝置的能耗挑戰(zhàn)中，業(yè)界積極響應(yīng)，通過實(shí)施諸如季節(jié)性能效比(SEER)、最低能效標(biāo)準(zhǔn)(MEPS)、Energy Star 和Top Runner等項(xiàng)目推進(jìn)建立系統(tǒng)能效評級體系。

變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD) 可為加熱和冷卻系統(tǒng)提供出色的系統(tǒng)效率，特別是在這些系統(tǒng)具有范圍非常寬的精確速度控制的情況下。VFD使用逆變器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行高頻脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)，可獲得真正的可變速度控制。

雖然這些逆變器目前是使用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)作為電源開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，但由于總體損耗較高，開關(guān)頻率和電力輸送受到限制。不過，隨著寬帶隙技術(shù)的進(jìn)步，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中使用基于氮化鎵(GaN) 的電源開關(guān)有助于提高功率密度、電力輸送能力和效率。

1   GaN如何提高逆變器效率

GaN FET導(dǎo)致的導(dǎo)通損耗與GaN的導(dǎo)通狀態(tài)電阻成正比，這一點(diǎn)與MOSFET類似。但對于IGBT，導(dǎo)通損耗取決于拐點(diǎn)電壓和動(dòng)態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)電阻，這通常高于GaN FET或MOSFET。

在開關(guān)損耗方面，與MOSFET和IGBT相比，GaNFET的損耗要低得多，原因是：

●   GaN 提供零反向恢復(fù)。通過零反向恢復(fù)，可以非常高的電流壓擺率(di/dt)和電壓壓擺率(dv/dt)切換GaN FET。在MOSFET 中，體二極管會出現(xiàn)較高的零反向恢復(fù)，從而限制開關(guān)di/dt 和dv/dt，并導(dǎo)致額外的損耗和相位節(jié)點(diǎn)電壓振鈴。對于IGBT，即使添加經(jīng)過優(yōu)化的反向并聯(lián)二極管，仍然會帶來與反向恢復(fù)相關(guān)的難題。

●   關(guān)閉時(shí)，IGBT 會受到少數(shù)載流子復(fù)合電流( 通常稱為尾電流) 的影響，該電流會增加關(guān)斷損耗。GaN沒有任何尾電流。

●   與IGBT 和MOSFET 相比，GaN 的電容更低，因此電容開關(guān)損耗更低。

●   受控和更快的di/dt 和受控dv/dt 有助于優(yōu)化開關(guān)期間的電壓- 電流重疊損耗。

圖1展示了在開關(guān)頻率為20kHz、基于GaN的逆變器的相位節(jié)點(diǎn)電壓壓擺率限制為5 V/ns、環(huán)境溫度為55℃ 的情況下，基于GaN、IGBT 和MOSFET 的解決方案的逆變器效率理論比較?？梢钥吹?，GaN 解決方案可幫助將功率損耗至少降低一半。

圖1 GaN、MOSFET和IGBT解決方案的效率比較

圖2較了德州儀器(TI)DRV7308 三相GaN智能電源模塊(IPM) 和峰值電流額定值為5 A 的IGBTPM的效率。相應(yīng)的值在以下條件下測得：電源電壓為300 Vpc、開關(guān)頻率為20 kHz、環(huán)境溫度為25 ℃、風(fēng)扇電機(jī)電纜長度為2 m、提供0.85 A 的均方根繞組電流和250 W 的逆變器輸出功率。GaN IPM 的壓擺率配置為5 V/ns。

圖2 250W應(yīng)用中DRV7308和IGBTIPM 的效率比較

2   使用GaN電源開關(guān)提高電機(jī)性能

專為高速電機(jī)或電感較低的電機(jī)而設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)通常需要高PWM頻率，以減少電流紋波并實(shí)現(xiàn)出色的電機(jī)性能。終端設(shè)備示例包括吹風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和泵。電機(jī)繞組中較高的電流紋波會導(dǎo)致不必要的扭矩紋波，增加銅和磁芯損耗，并導(dǎo)致開關(guān)期間檢測到的平均電機(jī)電流不準(zhǔn)確。

基于MOSFET或IGBT的IPM的額定使用頻率通常為20kHz；但是，由于開關(guān)損耗較高，它們通常用于較低的開關(guān)頻率(6 kHz 至16 kHz)。由于GaN即使在較低的dv/dt下也能提供低得多的開關(guān)損耗，因此能夠以高得多的頻率進(jìn)行開關(guān)以提高電機(jī)效率和性能。

圖3展示了DRV7308的功能方框圖，此器件集成了針對所有GaN FET 且具有相位節(jié)點(diǎn)電壓壓擺率控制功能的前置驅(qū)動(dòng)器。DRV7308 有助于在Quad Flat Nolead(QFN)12 mm×12 mm 封裝內(nèi)的三相調(diào)制、場定向控制驅(qū)動(dòng)的250 W 電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)超過99% 的逆變器效率，無需散熱器。

3   在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中使用GaN時(shí)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)人員通常必須考慮dv/dt 對電機(jī)絕緣、軸承壽命、電磁干擾(EMI) 和可靠性的影響。

DRV7308 包含一個(gè)集成前置驅(qū)動(dòng)器壓擺率控制電路，此電路控制相位節(jié)點(diǎn)上的dv/dt?？梢詫簲[率設(shè)置控制在5 V/ns 以下，并在電機(jī)繞組絕緣和開關(guān)損耗優(yōu)化之間權(quán)衡配置壓擺率。DRV7308 的較低壓擺率設(shè)置涵蓋了現(xiàn)有IGBT 提供的范圍，而較高的壓擺率有助于將開關(guān)損耗保持在低得多的值。

圖3 DRV7308功能方框圖

圖4和圖5展示了DRV7308在1A負(fù)載、300V、10V/ns壓擺率設(shè)置和2m電機(jī)電纜條件下的相位節(jié)點(diǎn)開關(guān)電壓。具有較低寄生效應(yīng)的GaN FET零反向恢復(fù)和前置驅(qū)動(dòng)器壓擺率控制有助于實(shí)現(xiàn)干凈的電壓開關(guān)波形。

圖4 使用2m電纜和風(fēng)扇電機(jī)時(shí)的相節(jié)點(diǎn)電壓上升壓擺率

圖5 使用2m電纜和風(fēng)扇電機(jī)時(shí)的相節(jié)點(diǎn)電壓下降壓擺率

4   對系統(tǒng)效率的影響

空調(diào)和制冷系統(tǒng)通常需要變化很大的速度控制，以實(shí)現(xiàn)更高的壓縮機(jī)和加熱系統(tǒng)效率。死區(qū)時(shí)間大于1 μs且傳播延遲大于500 ns 的傳統(tǒng)IPM 會限制最大和最小工作PWM占空比，并縮小運(yùn)行速度范圍。較長的死區(qū)時(shí)間還會降低電機(jī)的可用電壓，并且要增加電機(jī)電流才能實(shí)現(xiàn)相同的電力輸送。

DRV7308提供自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間，最大死區(qū)時(shí)間小于200ns，傳播延遲低于200ns，可幫助設(shè)計(jì)人員擴(kuò)大工作PWM占空比范圍，從而擴(kuò)大速度范圍，同時(shí)還提高電機(jī)的可用電壓。例如，能夠在空調(diào)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)從超低到高速的轉(zhuǎn)換，有助于設(shè)計(jì)人員在啟動(dòng)時(shí)設(shè)置最高速度，從而使系統(tǒng)更快地制冷和制熱。然后，在達(dá)到設(shè)定的溫度后，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)空調(diào)負(fù)載的變化，使用更精細(xì)的低速和容量控制。這種更精細(xì)、更出色的負(fù)載點(diǎn)控制有助于提高系統(tǒng)效率。

超低死區(qū)時(shí)間和傳播延遲以及低傳播延遲失配特性可實(shí)現(xiàn)精確的平均電流檢測，從而提高控制精度，尤其是對于場定向控制驅(qū)動(dòng)。圖6展示了傳播延遲對平均電流檢測精度的影響。在PWM期間，在PWM導(dǎo)通時(shí)間段的中間對電流進(jìn)行采樣將獲得每個(gè)PWM周期中的平均電機(jī)電流。圖6 還展示了傳播延遲如何使電流檢測偏離中值。電流檢測誤差( ▲I ) 取決于傳播延遲、施加的電壓、PWM開關(guān)頻率和電機(jī)電感。對于低電感電機(jī)，誤差將很高。電流檢測誤差還會影響無傳感器控制驅(qū)動(dòng)器中的電機(jī)位置檢測( 估算器) 精度。電機(jī)位置估算誤差會導(dǎo)致電機(jī)效率降低。

DRV7308 具備超低傳播延遲和傳播延遲失配，有助于實(shí)現(xiàn)精確的平均電流檢測并提高電機(jī)效率。

圖6 傳播延遲對電流檢測精度的影響

5   對可聞噪聲的影響

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，導(dǎo)致可聞噪聲的主要來源之一是電流失真引起的扭矩紋波。對于電機(jī)，電流失真取決于多個(gè)因素，包括PWM頻率、死區(qū)時(shí)間和電流檢測精度。與基于IGBT 或MOSFET 的解決方案相比，DRV7308可顯著降低開關(guān)損耗，并實(shí)現(xiàn)更高的PWM 頻率。在較高的開關(guān)頻率下，較低的繞組電流紋波可實(shí)現(xiàn)較低的扭矩紋波，超出了可聞?lì)l率范圍。

在基于IGBT 和MOSFET 的系統(tǒng)中，死區(qū)時(shí)間為1 μs 到2 μs 或更長，導(dǎo)致相當(dāng)高的電機(jī)電流失真。死區(qū)時(shí)間失真以每60 度電角出現(xiàn)一次，并導(dǎo)致電流波形上的第六次諧波，這通常位于可聞?lì)l率范圍內(nèi)。DRV7308的自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間邏輯可實(shí)現(xiàn)短于200 ns 的死區(qū)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)超低的電流失真，進(jìn)而降低可聞噪聲。

圖7比較了在死區(qū)時(shí)間為0.2 μs的情況下測試DRV7308時(shí)的電機(jī)繞組電流總諧波失真(THD)，以及在死區(qū)時(shí)間為2.5 μs 的情況下測試IGBT IPM 時(shí)的電機(jī)繞組電流總諧波失真。與IGBT IPM 相比，DRV7308 失真非常低。由于低占空比或低逆變器調(diào)制指數(shù)，死區(qū)時(shí)間的影響更大，因此在輸送功率較低時(shí)，IGBT IPM 的這種失真將呈指數(shù)級升高。

圖7 電機(jī)電流THD在不同死區(qū)時(shí)間下的比較

6   傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的注意事項(xiàng)

傳導(dǎo)和輻射發(fā)射取決于開關(guān)頻率、dv/dt、di/dt、開關(guān)電壓振蕩和反射以及開關(guān)電流環(huán)路面積。

DRV7308 整合了多種設(shè)計(jì)技術(shù)和印刷電路板(PCB)布局選項(xiàng)，以解決EMI 和電磁兼容性問題：

●   PWM開關(guān)頻率。開關(guān)頻率越高，對EMI頻譜的影響越大。較高的開關(guān)頻率有助于降低電流紋波和電容器要求，從而滿足傳導(dǎo)發(fā)射要求。DRV7308 提供寬范圍開關(guān)頻率，從極低值到高達(dá)60 kHz。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)系統(tǒng)性能和EMI 要求選擇合適的頻率。

●   dv/dt。DRV7308 前置驅(qū)動(dòng)器能夠控制相位節(jié)點(diǎn)開關(guān)壓擺率，以滿足EMI要求。

●   di/dt。由于GaN 具有零反向恢復(fù)和低寄生效應(yīng)，可以提供更好的開關(guān)性能，而不會在開關(guān)期間在相位節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生電壓過沖和振蕩。圖4 和圖5 顯示了DRV7308的干凈開關(guān)，這意味著EMI更低。

●   較小的開關(guān)電流環(huán)路面積。本地去耦電容器將在開關(guān)期間提供脈沖電流。DRV7308 的設(shè)計(jì)使得到直流電壓去耦電容器(Cvm) 的開關(guān)電流環(huán)路面積非常小，如圖8中所示。

圖8 DRV7308的典型布局參考(展示了較小的電流環(huán)路面積)

7   對解決方案尺寸的影響

除了封裝尺寸小和無需散熱器外，DRV7308 還提供高度集成功能，包括一個(gè)用于電機(jī)電流檢測的運(yùn)算放大器、三個(gè)用于電流限制的比較器、一個(gè)溫度傳感器和一套保護(hù)功能。與基于IGBT 或MOSFET 的解決方案相比，這些集成使逆變器電路板尺寸減小多達(dá)55%。

尺寸的減小還支持在靠近電機(jī)的位置集成逆變器，這在風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)和泵等用例中非常有用，并且無需從逆變器板到電機(jī)的布線。鑒于無需使用電纜，還能避免電纜電容造成的開關(guān)損耗，并減輕長電纜引起的傳導(dǎo)和輻射EMI。

8   具有保護(hù)功能的可靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GaN需要更快、更可靠的過流保護(hù)來消除飽和。集成保護(hù)可消除寄生效應(yīng)的影響，并提供大約幾百納秒的更快響應(yīng)。逆變器和電機(jī)需要過流保護(hù)來消除過載狀況下的熱失控。

230VAc線路供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)交流線路的電壓容差或使用有源功率因數(shù)校正電路提供高達(dá)450Voc整流直流總線電壓。逆變器需要設(shè)計(jì)為采用450V 工作電壓。如果電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢超過電源電壓或存在電感反沖，則一些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要在短時(shí)間內(nèi)處理更高的電壓。逆變器可能還需要處理更高的關(guān)斷狀態(tài)阻斷電壓，以防止在輸入線路電壓浪涌或電快速瞬變事件等過壓情況下造成損壞。

DRV7308采用集成漏源電壓保護(hù)設(shè)計(jì)，可在過流事件期間保護(hù)GaN FET。該器件還集成了過流比較器，可實(shí)現(xiàn)逐周期電流限制，專為具有650 V 關(guān)斷狀態(tài)阻斷電壓額定值的450 V 工作電壓設(shè)計(jì)。其他保護(hù)功能可監(jiān)控欠壓、過流和引腳對引腳短路等故障情況。

9   結(jié)束語

DRV7308等基于GaN的IPM不斷進(jìn)步，將持續(xù)助力提高電器和HVAC 系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率密度、電力輸送能力和效率，同時(shí)節(jié)省系統(tǒng)成本并提高可靠性。

（本文來源于《EEPW》202409）