氮化鎵（GaN）無刷直流電機驅動提升效率、減小尺寸和降低成本方面

本文圍繞氮化鎵（GaN）功率IC在無刷直流（BLDC）電機驅動應用中的優(yōu)勢展開研究，通過設計實例和實驗數(shù)據(jù)，論證了其在提升效率、減小尺寸和降低成本方面的顯著效果。
*附件：GaN-Power-ICs-Drive-Efficiency-and-Size-Improvements-in-BLDC-Motor-Drive-Applications-paper.pdf
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引言：長期以來，IGBT和硅MOSFET作為電機驅動逆變器的功率開關，存在反向恢復導致的高開關損耗問題，傳統(tǒng)硅基驅動器效率約80%且開關頻率低。GaN功率開關無反向恢復，開關損耗低，但其驅動方案不同，集成多種電路可發(fā)揮其性能優(yōu)勢，目前針對高直流母線電壓應用的設計較少。
GaN功率開關選擇標準 ：相比IGBT和超級結MOSFET，GaN晶體管開關損耗低，有助于簡化熱管理、減小散熱器尺寸和降低用電成本。選擇時不能僅考慮總損耗，還需關注最大電流。集成的GaN功率FET可視為數(shù)字功率級，內(nèi)置過溫、過流保護電路和無損電流檢測功能，能提升系統(tǒng)可靠性、降低成本。
設計考量 ：以Navitas的NV6247半橋GaN功率IC構建的逆變器為例，其外部元件少，集成多種功能電路。設計時需合理選擇高低側外部電容，布局遵循數(shù)據(jù)手冊建議，優(yōu)化熱阻，該電路板無散熱器時熱阻約12.5K/W 。
實驗結果 ：在特定工況下測試逆變器，300W輸出功率時效率接近99%，滿載功耗小于3W，可大幅減小散熱器尺寸。輸出300W負載時，電路板表面溫度低于60°C，該設計對異常工況耐受性強。
結論與展望 ：Navitas的GaNSense半橋功率IC實現(xiàn)的電機逆變器功率密度高、損耗低，滿載峰值效率超99%，簡化了逆變器與電機的集成，降低系統(tǒng)和運營成本，提升系統(tǒng)動態(tài)性能。未來研究方向是擴展功率范圍至數(shù)千瓦，并探索適配不同電機以進一步降低成本。