GaN 提高性能和成本
氮化镓 （GaN） 是一种宽带隙半导体，与旧款硅同类产品相比，它具有卓越的特性，包括开关速度提高 20 倍，功率密度提高 3 倍以上。在 PFC 和逆变器级的电机驱动系统中实施 GaN 功率器件可显著降低功率损耗和尺寸，从而实现逆变器与电机的集成。在本文中，详细介绍了 Navitas 创建的电机集成逆变器的 400 W 参考设计。
GaN FET 没有任何反向恢复电荷，可实现极快的开关，从而使开关损耗比硅 IGBT 和 MOSFET 低 4-5 倍，总功率损耗降低约 50%。这种功耗降低意味着器件的散热减少，从而减小了散热器的尺寸 - 甚至在低功率驱动器中消除了散热器。2021 年，散热器级机加工铝的成本达到了 13 年来的水平，价格约为 8 美元/千克，因此限度地减少散热器要求可以显着节省系统总成本。此外，由于系统重量减轻，运输成本降低。
极低的开关损耗和无反向恢复的结合使开关频率的自由度有了新的自由度，同时也为VSD提供了热设计。电机集成的逆变器具有困难的运行条件，除了振动和强磁场外，环境温度可能相当高，这使得功率半导体的冷却变得棘手，因此从不会产生大量热量的电源开关开始。
集成提高了电机驱动器的效率、控制和稳健性
GaNSense 技术将 GaN 功率的性能与驱动器、保护和动态传感功能相结合，使其成为高可靠性电机驱动应用的理想选择。优化的栅极驱动电路以及相关的稳压器和保护电路（如过热和过流检测）具有自主自我保护能力。所有这些功能都完全集成在一起，从而实现了卓越的性能和的可靠性。输入信号可以通过简单的数字信号进行控制，无需外部元件，并减小了 PCB 面积。这对于紧凑型电机驱动器非常有用，因为完整的电子系统可以安装在电机外壳中。
图 1.采用 Navitas GaNSense 技术的完全集成 GaNFast IC 的简化框图。图片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
与分立硅或分立 GaN 方法相比，GaNSense? 技术可以在 30 ns 内“检测和保护”——比硅或 GaN 分立器件快 6 倍，从而提高系统级可靠性。更多详细信息在应用说明 AN015 中进行了解释。
与散热器上传统的低精度温度传感器相比，在电源开关上集成温度控制可提供更高的精度和实时传感。这对于不易维护的电机集成驱动应用至关重要，尤其是在工业环境中，需要的可靠性和正常运行时间。当超过设定温度时，内置的过热保护电路将关闭 GaN IC，从而快速保护系统。
GaNSense 技术中无损电流传感的优势消除了对大型和昂贵的分流电阻器的需求，显着减小了系统尺寸和成本，同时保持了快速过流保护，以实现工厂自动化工业电机驱动器所需的系统稳健性。
此外，组件总数也减少了，从而显著降低了 FIT（及时故障）率，提高了系统可靠性。纳微半导体近宣布为其产品提供 20 年有限保修，这是业内首次强调其卓越可靠性的产品。
Navitas 推出了采用半桥拓扑结构的全系列 GaN 功率 IC，如表 1 所示。由于存在多个具有不同 RDSON 值且引脚兼容的不同 GaN 功率半桥 IC，因此该设计很容易在功率上扩展或缩减。
表 1.纳微半导体采用半桥拓扑结构的 GaN 功率 IC 产品组合
| 部分# | 类型 | VDS（续） （五） | VDS（TRAN） （五） | RDS（开启） （mΩ，典型值） | 包 | 地位 |
| NV6247 系列 | 半桥 | 650 | 800 | 160/160 | 接线端子PQFN 6x8 | 生产 |
| NV6245C | 半桥 | 275/275 | 接线端子PQFN 6x8 | 工程
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NV6247 系列半桥650800160/160接线端子PQFN 6x8生产NV6245C半桥275/275接线端子PQFN 6x8工程
所有新的半桥产品均采用节省空间的 PQFN 封装，与 PCB 具有非常好的热连接和低寄生电感和电阻，并表现出与纳微单电源开关相同的稳健性和可靠性，特别是高瞬态电压能力（650V 连续，800V 瞬态）。他们享受近宣布的 20 年保修。有关产品性能和稳健性的更多信息，请参阅各自的数据表 [3] 和专用应用说明 AN-018 www.navitassemi.com [5]。
电机集成逆变器的参考设计
半桥拓扑中的 GaN 功率 IC 使非常紧凑的电机逆变器成为可能，如图 2 所示。
该逆变器由纳微半导体的三个半桥 GaN 功率 IC 组成，即新型 NV6247。它包含输入逻辑、电平转换器、稳压器和栅极驱动器、电流和温度感应电路以及自举电源。因此，外部组件数量非常少。
逆变器三个支路之一的原理图如图 3 所示。显示的是第二阶段的电路，所有三个阶段都相同。主要组件是 NV6247，它以半桥配置集成了两个电源开关，以及栅极驱动器及其稳压器，以及标有“PWM”的输入逻辑。内置自举电路用于为高侧驱动器提供栅极驱动电源。还包括一个电平转换器，因此输入信号可以以地为参考，使该器件成为意义上的数字可控功率级。
圆形 PCB，带有 400W 电机逆变器功率级，连接到直径为 56mm 的 BLDC 电机的背面。图片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
此外，还包括多种传感功能。首先，流经内部低侧 GaN 功率 FET 的电流在内部被感应，然后在电流感应输出引脚 （CS） 处转换为电流。其次，结温通过栅极驱动器上的电路感测，并在过热时用于关闭电源开关。
IC 引脚包括高侧 GaN 功率 FET 的漏极（VIN，连接到 VBUS）、半桥中点开关节点（VSW，连接到 PHB）、低侧 GaN 功率 FET 和 IC GND （PGND） 的源极、低侧 IC 电源 （VCC）、低侧栅极驱动电源 （VDDL）、低侧导通 dV/dt 控制 （RDDL）、低侧 5V 电源 （5VL）、 低侧参考 PWM 输入（INL、INH）、低侧电流感应输出 （CS）、自动待机使能输入 （/STBY）、高侧电源 （VB）、高侧栅极驱动电源 （VDDH） 和高侧 5V 电源 （5VH）。IC 周围的外部低侧元件包括：VCC 引脚和 PGND 之间的 VCC 电源电容器 （CVCC）、VDDL 引脚和 PGND 之间的 VDDL 电源电容器 （CVDDL）、VDDL 引脚和 RDDL 引脚之间的导通 dV/dt 设置电阻器 （RDDL）、CS 引脚和 PGND 之间的电流检测幅度设置电阻器 （RSET）、5VL 引脚和 PGND 之间的 5V 电源电容器 （C5VL）、 以及连接到 PGND 的自动待机使能引脚 （/STBY） 以启用自动待机模式，或连接到 5VL 以禁用自动待机模式。IC 周围的外部高侧元件包括连接在 VB 引脚和 VSW 之间的 VB 电源电容器 （CVB）、连接在 VDDH 引脚和 VSW 之间的 VDDH 电源电容器 （CVDDH） 以及连接在 5VH 引脚和 VSW 之间的 5V 电源电容器 （C5VH）。必须仔细选择高压侧 VB、5VH 和 VDDH 旁路电容器，以适应各种系统考虑因素，例如高压侧唤醒时间、高压侧保持时间和待机功率。在右侧，可以看到 VBUS 阻塞帽，PCB 允许使用薄膜或电解帽。它们的目的是抑制由于电源和开关动作中的寄生电感而可能发生的任何类型的振铃，因为该板是为直流输入设计的。，R17 和 C18 可用于抑制开关节点上的振铃，因为它可能是由长电缆及其电感引起的，并且是可选的。
需要注意的是，电源开关的开关速度可以通过外部电阻器（本例中为 R7）进行调节。虽然降低开关速度确实会增加开关损耗，但影响并不大，因为开关损耗本来就非常低。这样，开关速度可以根据电机的任何需求进行调整，并且可以调整产生的 EMI 以符合所有必需的法规，并且可以缩小 EMI 滤波器元件的尺寸。50Ω 值是一个很好的起点。
图 3.三个逆变器支路之一的原理图，显示除了 GaN 功率 IC 之外，还需要很少的外部元件。图片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
CS 引脚 （R8） 上的电阻可由微控制器及其 ADC 输入根据需要进行设置，以适当调整电压。但是，如果此引脚上的电压超过 1.9V，则会触发过流保护。需要注意的是，CS 引脚上电阻器的选择会影响功率级电流对应的电压，以及过流保护。
自动待机模式旨在降低 NV6247 不切换时的功耗。如果在超过 ~90 μs 的时间内没有检测到更多输入脉冲，IC 将自动进入低功耗待机模式。这将禁用栅极驱动和其他内部电路，并将 VCC 电源电流降低到较低水平。当 INL 脉冲重新启动时，IC 将在 INL 输入的个上升沿经过延迟 （通常约为 450ns） 唤醒，并再次进入正常工作模式。
性能结果
逆变器是在 Navitas 应用工程实验室设计和制造的，并将提供完整的设计文档。它已与 BLDC 电机和机械负载一起在以下工作条件下进行了测试：直流输入电压 300 V，环境温度 25°C，开关频率为 20 kHz 的 FOC（磁场定向控制）算法。从 PCB 到环境的热阻以 ~12.5 K/W 测量。图 4 显示了由此产生的逆变器效率（电输出功率与输入功率，不考虑电机效率），对于 300 W 的输出功率，该效率接近 99%。虽然逆变器的效率通常比电机的效率好得多，但了解逆变器产生的损耗仍然很重要，以便相应地设计冷却系统。满载时功率耗散为 <3W，散热片可以大大减少，系统的散热设计也容易得多，终避免了通常与安装大型散热器相关的大量手动组装工作。所示的两条曲线对应于转换速率的不同设置（红色 = 20 V/ns，蓝色 = 40 V/ns），差异相当小。
图 5 显示了逆变器在 300W 输出负载下运行时整个 PCB 上的温度。当环境温度为 25°C 时，封装表面温度保持在 60°C 以下，考虑到损耗非常低，这并不奇怪。由于 PQFN 电源开关与 PCB 的热连接良好，因此功率输出受允许的 PCB 温度（通常为 105°C）的热限制。 GaN 功率开关本身确实可以承受更高的温度，因此这种设计不仅具有出色的可靠性，而且在输出短路或转子失速等异常工作条件下具有很强的稳健性，这可能会使功率开关温度非常迅速地升高，直到控制器或内置过热保护电路做出反应。
图 4.整个输出功率范围内的逆变器效率接近 99%。图片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
图 5. 逆变器板的热扫描，显示由于逆变器的低损耗，表面温度相对较低。图片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
GaNSense 半桥 IC
每个电机都有不同的要求，但趋势是同一个方向：提高效率、更好的性能和更低的成本。GaNSense 半桥 IC 可实现更高的系统效率和性能，同时降低整个系统的总拥有成本。GaNSense 半桥 IC 提供别的集成 - 驱动、电源、保护和传感，使电机集成逆变器具有出色的性能和可靠性。
