基于氮化鎵 (GaN) 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件具有出色的電氣特性，是高壓和高開關頻率電機控制應用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。我們在這里的討論集中在 GaN HEMT 晶體管在高功率密度電動機應用的功率和逆變器階段提供的優勢。

GaN 的優勢

氮化鎵是一種寬帶隙 (WBG) 材料。因此，它的禁帶(對應于電子從價帶傳遞到導帶所需的能量)比硅寬得多：約 3.4 電子伏特 (eV)，而硅為 1.12 eV。GaN HEMT 更高的電子遷移率轉化為更高的開關速度，因為通常在接頭中積累的電荷可以更快地分散。更快的上升時間，更低的漏源導通電阻 (R DS(on)) 值以及使用 GaN 可實現的降低的柵極和輸出電容都有助于其低開關損耗和在高達 10 倍于硅的開關頻率下工作的能力。降低功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱和更簡單的冷卻系統。

圖 1：GaN 和硅晶體管的總體器件損耗

(圖片：德州儀器)

在高開關頻率下工作的可能性使解決方案能夠減少占位面積、重量和體積，避免使用電感器和變壓器等笨重的組件。圖 1顯示了隨著開關頻率的升高，采用硅和氮化鎵技術構建的功率器件的導通和開關損耗趨勢線。對于這兩種材料，傳導損耗保持不變并且開關損耗增加。但隨著開關頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開關損耗仍然明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT，并且開關頻率越高，差異越明顯。

與傳統硅器件相比，GaN HEMT 的主要優勢在于：

更高的壓擺率(dV/dt 為 100 V/ns 或更高)，進而支持更快的開關速率，從而降低開關損耗;

接近零的反向恢復電荷(因為 GaN HEMT 沒有本征體二極管，因此不需要反并聯二極管，并且降低了功率損耗和電磁干擾 [EMI] 效應);

在較高溫度(最高約 300 °C)下完全運行，而不影響開關能力;

更高的擊穿電壓(高于 600 V);

在給定的開關頻率和電機電流下，開關損耗是硅 MOSFET 的 10% 到 30%;和

更高的效率、更小的占地面積和更輕的重量。

所有這些特性都有利于在設計用于高壓和高頻電動機的驅動器時使用 GaN HEMT 器件。使用 GaN HEMT，設計人員可以構建具有與硅基設計相同的輸出特性但尺寸更緊湊且功率吸收更低的電動機。

高性能電機驅動

低壓、低電感、高轉速無刷電機需要典型開關頻率在 40 kHz 和 100 kHz 之間的驅動電路，能夠最大限度地減少電機扭矩的損耗和變化。驅動交流電機的常見解決方案如圖 2所示，包括一個 AC/DC 轉換器、一個直流電路(如圖 2 所示)由電容器)和一個 DC/AC 轉換器(逆變器)。第一級通常基于二極管或晶體管，將 50-Hz/60-Hz 主電壓轉換為近似直流電壓，隨后將其過濾并存儲在直流電路中，供逆變器以后使用。最后，逆變器將直流電壓轉換為三個正弦脈沖寬度調制 (PWM) 信號，每個信號驅動一個電機相位。

圖 2：典型電機驅動器解決方案的簡化框圖(圖片：德州儀器)

DC 電路過濾來自 AC/DC 轉換器的電壓和電流，抑制可能損壞逆變器晶體管的電壓瞬變，減少可能損壞逆變器晶體管的感應電流，穩定提供給負載的電壓，并提高整體效率。電容器必須在特別關鍵的條件下工作，例如高壓擺率和高電壓峰值。因此，設計人員應仔細選擇電容器以確保所需的高壓特性——例如，選擇賤金屬電極 (BME) 電容器。

集成電源解決方案

回到圖 2，GaN HEMT 晶體管通常用于實現電機驅動逆變器級，這是高壓和高頻電機驅動器解決方案的最關鍵點。今天，一些基于 GaN 技術的集成器件已經上市。

例如，Navitas Semiconductor 的 NV6113 集成了一個 300-mΩ、650-V 增強型 GaN HEMT;柵極驅動器;和相關邏輯，全部采用 5 × 6-mm QFN 封裝。NV6113 可以承受 200 V/ns 的壓擺率，工作頻率高達 2 MHz。該器件針對高頻和軟開關拓撲進行了優化，創建了一個易于使用的“數字輸入、電源輸出”高性能動力總成構建塊。該電源 IC 將傳統拓撲(例如反激式、半橋式和諧振型)的功能擴展到兆赫頻帶以上的開關頻率。NV6113 可以作為單個器件部署在典型的升壓拓撲中，也可以并行部署在流行的半橋拓撲中。

德州儀器擁有廣泛的 GaN 集成功率器件產品組合。例如，LMG5200 集成了一個基于增強型 GaN FET 的 80V GaN 半橋功率級。該器件由兩個 GaN FET 組成，由一個采用半橋配置的高頻 GaN FET 驅動器驅動。為簡化該器件的設計，TI 提供了 TIDA-00909，這是一種使用三相逆變器和三個 LMG5200 的高頻電機驅動器的參考設計。TIDA-00909 提供了一個兼容接口，用于連接到 C2000 MCU LaunchPad 開發套件，以便于進行性能評估。

圖 3：TIDA-00909 框圖(圖片：德州儀器)

　　審核編輯：湯梓紅