芯耀
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為了獲得更高的系統(tǒng)效率， GaN器件用于智能電機驅動成為發(fā)展方向。在GaN器件中引入一個線性電容能夠有效控制開關速率，以最大程度地降低EMI和電壓應力，同時保持高效率。
我們對于電機應用已經(jīng)習以為常，自從本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin）在大約三百年前開發(fā)了第一臺靜電式電機以來，這些產(chǎn)品就一直用于我們?nèi)粘Ｉ睢５?，以簡單的開/關方式對電機進行控制已經(jīng)一去不復返，從干衣機到機器人，當今各種應用中的電機必須以智能的方式控制速度、方向和轉矩等特性。與所有其它技術一樣，電機也必須體積小，重量輕，且成本低。
為了對電機實現(xiàn)必要的控制，需要給電機提供三相脈寬調(diào)制（PWM）交流電。通過使用開關模式技術，可以實現(xiàn)非常高的效率。頻率通常在16 kHz左右，即使采用IGBT等較舊的技術，動態(tài)損耗也很低。但傳導損耗仍然存在，因此迫切需要提高效率，現(xiàn)在許多電機驅動器都使用MOSFET，在低功率和中功率時，MOSFET的通態(tài)壓降比IGBT低。 MOSFET和IGBT可用于“智能功率模塊”（IPM）應用，這些模塊通常包含六個具備相關柵極驅動和保護功能的器件。
MOSFET的開關速度比IGBT快，因此開關損耗較低，但這并非一個完全的好消息?？焖俚拈_關速率或'dV/dt'可能會導致從EMI到電機繞組絕緣應力等一系列不良副作用，從而出現(xiàn)性能下降和器件擊穿，甚至由于共模電流流到接地端導致軸承機械磨損。通過采用緩沖器，減慢柵極驅動和進行濾波可以降低開關速率及其影響，但在幾乎所有情況下，都會導致效率有所降低，從而無法獲得最佳解決方案。
寬帶隙開關技術
采用MOSFET的IPM具備較高效率，但也存在由此產(chǎn)生的成本和能量節(jié)省等經(jīng)常性壓力，需要進一步改進。為了降低導通損耗，設計人員現(xiàn)在考慮使用氮化鎵（GaN）等寬帶隙半導體技術，該技術在特定電壓等級下具有最低的相對導通電阻。但是，dV/dt問題則變得更加復雜，因為GaN開關速率非?？欤蛇_到數(shù)百kV/μs數(shù)量級。為了在實際應用中有效控制該器件，不建議使用較大的緩沖和濾波器，因為它們能夠重新引入新的損耗，因此通過定制柵極驅動器來控制dV/dt是一種解決方案。原理很簡單，串聯(lián)電阻與GaN器件柵極電容形成一個RC網(wǎng)絡，從而減慢柵極驅動開關速率，進而降低漏極dV/dt。為了更好地控制，可將用于正向和負向驅動的門極電阻由二極管分開控制。盡管GaN晶體管具有這些優(yōu)點，但也確實有一個缺點。它的柵極電容雖然很低，但是會隨著工作條件發(fā)生很大變化，通常在30dB范圍內(nèi)變化，主要是由于“米勒效應”所致。這意味著，如果在最壞情況下將dV/dt設置為電動機可靠運行的最佳狀態(tài)（例如5kV/μs），但在其他條件下，柵極驅動速度將大大降低，導致效率顯著下降（見圖1）。
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圖1：添加一個簡單的柵極電阻會產(chǎn)生可變的dV/dt限制。
建議的一種解決方案是通過電容器采樣漏極電壓，該電容器能夠產(chǎn)生與dV/dt成比例的電流，然后將其反饋到柵極驅動電路，以控制柵極充電和放電電流，從而在所有條件下都提供恒定的開關速率。然而，高壓電容器是實現(xiàn)和集成IPM的一個大問題，并且由于其有限的連接電感，甚至可能引起破壞性振蕩。
英飛凌工程師意識到，如果在GaN器件管芯中構建一個小的漏柵電容，就會對整體電容產(chǎn)生“線性”影響，一種突破性技術由此誕生。通過采用一個僅1.2pF左右的電容就已經(jīng)足夠，其影響可忽略不計，但它卻能夠準確地限制dV/dt。圖2顯示了這種效應，接通時的開關速率限制在5kV/μs左右，關斷時，dV/dt被限制為相同值，在輕負載下，損耗較低情況下dV/dt降至3kV/μs。
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圖2：在添加GaN線性化電容器后，所有條件下的開關速率均受到限制。
圖3所示為一個實際電機驅動應用的效果圖，在相同的溫度上升幅度時，損耗幾乎減少了一半，從而同樣產(chǎn)品可提供更大的功率，或者可以實現(xiàn)更小的產(chǎn)品。
圖3：MOSFET和GaN開關技術的IPM功能比較。
為了獲得最高的效率和性能，現(xiàn)在可以考慮將GaN用于電機驅動，雖然其單位成本略高，但在系統(tǒng)硬件和節(jié)能方面的節(jié)省會大大抵消單位成本。
作者：英飛凌科技AC-DC應用資深首席工程師Eric Persson
