作者：Steven Keeping

對緊湊但功能強大的電機的需求為(wei) 設計工程師帶來了新的挑戰。為(wei) 了盡可能提高小型電機的功率輸出，工程師們(men) 開始轉向高壓和高頻工作。矽(Si)金屬氧化物半導體(ti) 場效應晶體(ti) 管(MOSFET)和集成柵極雙極晶體(ti) 管(IGBT)—它們(men) 都是傳(chuan) 統開關(guan) 模式逆變器（現代電機控製的重要組成部分）的基礎—正在努力應對這些工作需求。有限的功率密度和擊穿電壓閾值限製了驅動電壓，而高頻工作所需的快速開關(guan) 又推高了功率損耗，產(chan) 生的結果就是效率低下、熱量積聚。

氮化镓(GaN)高電子遷移率晶體(ti) 管(HEMT)為(wei) 高電壓和高頻電機驅動應用提供了MOSFET和IGBT的替代品。這些寬禁帶(WBG)半導體(ti) 器件為(wei) 高功率密度電機開辟了新的應用，因為(wei) 它們(men) 可以處理更高的電壓、電流、溫度和開關(guan) 頻率，而且損耗比矽晶體(ti) 管低得多。高功率密度電機應用中的集成GaN HEMT以及驅動逆變級已經實現商業(ye) 化，這為(wei) 新技術的采用提供了便利。

GaN HEMT逆變器是對新一代陶瓷電容器的補充，它可以處理高電壓尖峰和浪湧，而這些尖峰和浪湧可能會(hui) 給高功率密度電機固有的傳(chuan) 統直流(DC)鏈路元件造成過大的壓力。

在下文中，我們(men) 將探討高功率密度電機功率級中使用的元件所麵臨(lin) 的挑戰，以及GaN HEMT和高性能陶瓷電容器為(wei) 何能作為(wei) 一種解決(jue) 方案。

電機設計的進展

設計人員需要更小、更輕的電機，以提高現有產(chan) 品的性能，並使其能夠用於(yu) 各種新應用。高電源電壓和控製頻率有望成為(wei) 一種解決(jue) 方案。

高壓工作的優(you) 勢

電機標稱功率是電源電壓乘以電流(V×A)的乘積。傳(chuan) 統電機在低電壓(<1000V)下運行，需要在大電流下運行才能產(chan) 生高功率。大電流運行的缺點是需要較大的線圈，這增加了線圈電阻，降低了效率，也提高了溫度。高壓(≥10kV)降低了對電流的要求，從(cong) 而能夠使用較小的線圈。其缺點是電機元件（包括電機驅動電子元件）必須承受高電壓，限製了選擇並增加了成本，而且小線圈具有低電感繞組的特點，難以抑製開關(guan) 模式電源產(chan) 生的電流紋波，這些電流紋波會(hui) 導致電磁幹擾(EMI)問題。

高頻工作的優(you) 勢

現代電機的一種常見類型是三相交流(AC)型，通過依次向電機的各相（繞組）施加電流來驅動。電機轉子被繞組產(chan) 生的旋轉磁場拉動，其轉速與(yu) 工作頻率成正比（圖1）。

圖1：施加到感應電機各相的正弦信號，會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 旋轉磁場，拖動轉子旋轉。（圖源：Sciencing）

脈寬調製(PWM)疊加在基本工作頻率上，用於(yu) 控製啟動電流、轉矩和功率等參數。半導體(ti) 晶體(ti) 管（通常為(wei) MOSFET或IGBT）的開關(guan) 決(jue) 定了PWM波形。

高頻PWM的一個(ge) 關(guan) 鍵優(you) 勢在於(yu) 它可以減小電流紋波（整流後剩餘(yu) 的交流輸入痕跡），從(cong) 而克服了較小線圈的缺點。電流紋波減小後，就可以采用更小、更便宜的無源元件進行濾波。高頻工作還可以減小轉矩波動（由於(yu) 不完美的正弦波輸入到電機線圈而導致的電動勢不均勻），這種波動可能會(hui) 導致電機振動和過早磨損。

總體(ti) 而言，高頻開關(guan) 會(hui) 提高功率密度（每單位體(ti) 積產(chan) 生的功率），從(cong) 而使較小型電機的輸出能夠與(yu) 較大型的設備相當。

傳(chuan) 統電機驅動已達到極限

傳(chuan) 統三相交流電機的工作電壓最高為(wei) 1000V，開關(guan) 頻率最高為(wei) 20kHz。這樣的工作參數完全在廉價(jia) 且商業(ye) 上廣泛使用的矽MOSFET的能力範圍之內(nei) ，這些MOSFET用於(yu) 在電機驅動的最後階段構造逆變橋。

但是，由於(yu) 以下原因，矽晶體(ti) 管在高功率密度電機應用中達到了極限。

此類元件相對較低的擊穿電壓限製了電源電壓；

隨著工作頻率上升，晶體(ti) 管的開關(guan) 損耗（由晶體(ti) 管每次從(cong) 導通到關(guan) 斷時的殘餘(yu) 電阻和電容引起）程度會(hui) 迅速超過效率提高程度。

由於(yu) 開關(guan) 時間相對較長，此類器件的開關(guan) 頻率存在閾值，無法在更高頻率工作。

IGBT較高的擊穿電壓為(wei) 工程師提供了一些喘息機會(hui) ，使他們(men) 可以提高工作電壓和工作頻率。但當工作頻率攀升至50kHz以上時，IGBT開始出現不可接受的開關(guan) 損耗，並且無法快速開關(guan) 。

GaN HEMT的優(you) 勢

盡管矽是電子工業(ye) 的支柱，但其他半導體(ti) 往往還是會(hui) 用於(yu) 需要高壓和高頻操作或需要耐受高溫的專(zhuan) 業(ye) 應用。這些其他種類半導體(ti) 具有寬禁帶(WBG)的特點。禁帶寬度是指在半導體(ti) 中釋放電子實現導電所需的能量。與(yu) 矽相比，這些材料的電氣特性有顯著區別。WBG半導體(ti) 的禁帶寬度為(wei) 2eV至4eV，而矽的禁帶寬度為(wei) 1eV至1.5eV。氮化镓(GaN)就是一種成熟的商業(ye) 化WBG半導體(ti) 。

WBG的特性

在矽MOSFET中，高於(yu) 100°C的溫度會(hui) 影響受控開關(guan) ，因為(wei) 一些電子會(hui) 從(cong) 熱量（而非開關(guan) 電壓）中獲得足夠的能量，從(cong) 而逃離母原子。由於(yu) WBG半導體(ti) 的電子需要更多能量才能從(cong) 原子中逃離並實現導電，因此直到溫度達到300°C時，GaN晶體(ti) 管才會(hui) 出現相同的效果。

WBG半導體(ti) 具有比矽更高的擊穿電壓（高於(yu) 600V），其原理很複雜，但部分原因是由於(yu) 一種稱為(wei) 電子飽和速度（也稱為(wei) 電子遷移率）的特性。更高的遷移率使WBG半導體(ti) 材料能夠處理兩(liang) 倍於(yu) 矽的電流密度(A/cm2)。這一特性也使得GaN HEMT的開關(guan) 時間僅(jin) 為(wei) 矽MOSFET翻轉時間的四分之一。

由於(yu) 寄生電阻和電極電阻的影響，所有半導體(ti) 晶體(ti) 管都會(hui) 出現導通功率損耗，此外諸如電極間電容等其他因素也會(hui) 導致功率損耗。這些損耗發生在每次開關(guan) 晶體(ti) 管時，並且與(yu) 開關(guan) 頻率和電機電流成正比。GaN HEMT的寄生電阻和電極電阻約為(wei) 矽MOSFET的一半，電極間電容約為(wei) 後者的五分之一。這種差異表明，對於(yu) 給定的開關(guan) 頻率和電機電流，GaN HEMT的開關(guan) 損耗約為(wei) 矽MOSFET的10%至30%。IGBT在高頻下表現出比MOSFET更低的開關(guan) 損耗，但效率仍遠低於(yu) GaN HEMT。

GaN HEMT還有一項優(you) 勢是這種晶體(ti) 管不會(hui) 遭受反向恢複電荷的影響。反向恢複電荷是指矽MOSFET從(cong) 導通到關(guan) 斷時剩餘(yu) 的少數載流子電荷的耗散，它會(hui) 導致矽MOSFET的開關(guan) 電流過衝(chong) （振鈴），從(cong) 而可能導致EMI。

GaN HEMT在電機設計中的使用

GaN HEMT的電氣特性使其成為(wei) 工程師們(men) 設計緊湊型、高壓和高頻電機的誘人主張。總體(ti) 而言，這些設備具有以下優(you) 點：

擊穿電壓高，有助於(yu) 使用更高的輸入電壓（大於(yu) 1000V）

電流密度高，使基於(yu) GaN的組件能夠在不降低功率處理能力的情況下縮小體(ti) 積

具有快速開關(guan) 能力，可實現電機的高頻（200kHz以上）工作

高頻工作，使輸出電流紋波得到限製，並且能夠減小濾波器組件的尺寸

開關(guan) 損耗低，使功率耗散得到限製，並提高效率

耐高溫，能夠使用較小的散熱器

高水平集成，可以將GaN HEMT製造在芯片上（不同於(yu) 矽功率組件）。

縮短材料清單(BOM)，縮小解決(jue) 方案尺寸，因為(wei) 在電機驅動解決(jue) 方案中，GaN HEMT可以處理續流電流，而不需要IGBT所需的反向並聯二極管。

這些優(you) 勢使工程師能夠設計出高度緊湊的電機，其輸出功率與(yu) 傳(chuan) 統電機相同，但體(ti) 積不到傳(chuan) 統電機的一半，功耗也大大降低。GaN HEMT設計的關(guan) 鍵缺點是對電路開發和測試方麵專(zhuan) 業(ye) 知識的要求很高。

集成解決(jue) 方案能夠利用好GaN HEMT的優(you) 勢

直到最近，矽MOSFET和IGBT還保留著相對於(yu) GaN HEMT的一項關(guan) 鍵優(you) 勢—其廣泛的商業(ye) 可用性。但時至今日，工程師們(men) 已經可以輕鬆獲得GaN HEMT技術。更妙的是，一些矽供應商現在提供了基於(yu) GaN HEMT的集成解決(jue) 方案，從(cong) 而簡化了高壓和高頻交流電機逆變級。

以前，由於(yu) 晶體(ti) 管和驅動器組件基於(yu) 不同的工藝技術，而且往往由不同的製造商提供，因此GaN HEMT被封裝成分立器件，並帶有獨立驅動器。這種做法的缺點是存在接合線，其寄生電阻和電感會(hui) 增加開關(guan) 損耗。將GaN HEMT和驅動器安裝在同一引線框架上可消除共源電感，這在快速開關(guan) （高di/dt）電路中尤為(wei) 重要。多餘(yu) 的電感會(hui) 產(chan) 生振鈴，並可能導致電流保護機製發生故障。集成封裝的第二個(ge) 關(guan) 鍵優(you) 勢：驅動器中可以內(nei) 置熱傳(chuan) 感功能，以確保在出現過熱情況時，GaN HEMT在發生損壞之前關(guan) 閉。

Texas Instruments在其LMG3410R070GaN功率級（圖2）中提供GaN HEMT和驅動器集成。該公司將該產(chan) 品描述為(wei) 業(ye) 界首款600VGaN驅動器產(chan) 品。該器件是一個(ge) 8mm×8mm的四方扁平無引線(QFN)多芯片模塊(MCM)，由一個(ge) 集成20V串聯MOSFET的GaN HEMT和驅動器組成。其導通電阻非常低，僅(jin) 為(wei) 75mΩ。柵極驅動器具有內(nei) 置的降壓/升壓轉換器，以產(chan) 生關(guan) 閉GaN HEMT所需的負電壓。

圖2：Texas Instruments的LMG3410R70GaN功率級在緊湊的封裝中集成了GaN HEMT和驅動器。（圖源：Texas Instruments）

LMG3410GaN功率級的關(guan) 鍵優(you) 勢在於(yu) 其可以控製硬開關(guan) 期間的壓擺率。這種控製對於(yu) 限製印刷電路板(PCB)的寄生延滯和EMI非常重要。這款Texas Instruments產(chan) 品采用可編程電流源來驅動GaN柵極，使壓擺率可以設置在30V/ns至100V/ns之間。

LMG3410還包括一個(ge) 有用的故障輸出，如果開關(guan) 因故障事件而停止，可通知主機微控製器。

兩(liang) 個(ge) 半橋配置的緊湊型LMG3410GaN功率級可提供快速硬開關(guan) 、低開關(guan) 損耗、低寄生電感和零反向恢複電荷，而這些正是設計人員驅動高功率密度電機各相所需的（圖3）。

圖3：該應用電路原理圖顯示了兩(liang) 個(ge) Texas Instruments的GaN功率級以半橋配置驅動三相電機的一相。（圖源：Texas Instruments）

構建高性能電機的驅動器

完整的交流電機驅動解決(jue) 方案（圖4）包含三個(ge) 元素：整流器（AC/DC轉換器）、直流鏈路和逆變器（DC/AC轉換器）。

圖4：該電機驅動解決(jue) 方案原理圖說明了直流鏈路電容器的位置。（圖源：KEMET）

整流器通常基於(yu) 二極管或晶體(ti) 管拓撲結構，將標準的50Hz或60Hz交流電源轉換為(wei) （近似）直流電源。來自整流器的直流電源經過濾波後儲(chu) 存在直流鏈路中，直到逆變器使用為(wei) 止。然後，逆變器將直流電源轉換為(wei) 三個(ge) 正弦波PWM信號，每個(ge) 信號驅動一個(ge) 電機相位。

直流電元件發揮了幾項關(guan) 鍵作用：

濾除來自整流級的電流和電壓紋波

濾除可能損壞逆變器晶體(ti) 管的整流器電壓瞬變

提高電路效率

限製可能會(hui) 損壞晶體(ti) 管的感應電流

確保電力平穩傳(chuan) 輸到負載

直流鏈路電路由安裝在電機驅動器的整流器級和逆變器級之間的電源線上的單個(ge) 電容器組成，雖然實現起來很簡單，但由於(yu) 其對電機整體(ti) 性能和效率的重要性，使得選擇高品質組件變得至關(guan) 重要。

直流鏈路在具有高壓擺率(dV/dt)和高電壓峰值的挑戰性條件下工作，因此設計人員必須選擇能夠承受這種壓力的器件。KEMETKC-LINK電容器使用陶瓷（鋯酸鈣，CaO3Zr）電介質和鎳內(nei) 電極，是一個(ge) 很好的選擇，因為(wei) 它們(men) 是專(zhuan) 門為(wei) 高壓、高頻直流鏈路應用而設計的。

KC-LINK器件的關(guan) 鍵特性是極低的等效串聯電阻(ESR)和等效串聯電感(ESL)。低ESR和ESL值有助於(yu) 提高效率，特別是在高壓應用中。此外，電容器還可以在下一代電機應用中常見的高頻和高溫下工作。這些電容器可以承受高達10MHz的頻率，並且可以承受?55°C至150°C的溫度範圍。這些器件還具有不隨電壓變化而發生電容偏移的特點，並通過了汽車級認證。

結語

WBG半導體(ti) 器件，例如用於(yu) 電機逆變器的GaN HEMT和用於(yu) 直流鏈路的高性能電容器等已經實現商業(ye) 化，滿足了設計人員對用於(yu) 高功率密度電機驅動器的可靠元件的需求。這些關(guan) 鍵組件將使設計人員能夠使用更緊湊、更輕巧、更便宜的電機來增強現有產(chan) 品，同時將電機的使用擴展到廣泛的新應用中。此外，新一代的高功率密度電機將大大降低能源需求，為(wei) 綠色地球做出貢獻。