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(duì)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(guò)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(píng)級(jí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)作為電源開關(guān)來(lái)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(guò)，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(duì)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(guò)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(huì)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(duì)于IGBT，即使添加經(jīng)過(guò)優(yōu)化的反向并聯(lián)二極管，仍然會(huì)帶來(lái)與反向恢復(fù)相關(guān)的難題。

●   關(guān)閉時(shí)，IGBT 會(huì)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(huì)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(cè)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(zhǎng)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(huì)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(cè)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(duì)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(chǎng)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(guò)99% 的逆變器效率，無(wú)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(duì)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。可以將壓擺率設(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(duì)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(huì)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(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間還會(huì)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(cè)，從而提高控制精度，尤其是對(duì)于場(chǎng)定向控制驅(qū)動(dòng)。圖6展示了傳播延遲對(duì)平均電流檢測(cè)精度的影響。在PWM期間，在PWM導(dǎo)通時(shí)間段的中間對(duì)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(cè)偏離中值。電流檢測(cè)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(duì)于低電感電機(jī)，誤差將很高。電流檢測(cè)誤差還會(huì)影響無(wú)傳感器控制驅(qū)動(dòng)器中的電機(jī)位置檢測(cè)( 估算器) 精度。電機(jī)位置估算誤差會(huì)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(cè)并提高電機(jī)效率。

圖6 傳播延遲對(duì)電流檢測(cè)精度的影響

5   對(duì)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(lái)源之一是電流失真引起的扭矩紋波。對(duì)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(cè)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(zhǎng)，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(cè)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(cè)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(jí)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(wèn)題：

●   PWM開關(guān)頻率。開關(guān)頻率越高，對(duì)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(huì)在開關(guān)期間在相位節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生電壓過(guò)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(duì)解決方案尺寸的影響

除了封裝尺寸小和無(wú)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(cè)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(wú)需從逆變器板到電機(jī)的布線。鑒于無(wú)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(zhǎng)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(guò)流保護(hù)來(lái)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(guò)流保護(hù)來(lái)消除過(guò)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(shì)超過(guò)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(guò)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(guò)流事件期間保護(hù)GaN FET。該器件還集成了過(guò)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(guò)流和引腳對(duì)引腳短路等故障情況。

9   結(jié)束語(yǔ)

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(lái)源于《EEPW》202409）