集成氮化镓电机驱动器分析报告（集成氮化镓电机驱动器分析图）

欧洲大约一半的电力流入电力驱动器。因此，欧盟委员会和成员国政府制定法规和标准，使电力消耗尽可能高效，电网需求尽可能低，也就不足为奇了。变速驱动器(VSD) 现已成为行业标准，因为与老式恒速感应电机相比，它们可减少高达90% 的能耗。同时，它减小了尺寸并提高了性能和可靠性。

IEC 61000 等标准旨在确保电网稳定性，因为大型感应电气设备（尤其是电机）可能会严重损坏当地电网。为此有多种解决方案，例如功率因数校正（PFC），以优化电网每个负载点的有功功耗。

氮化镓提高性能和成本

氮化镓(GaN) 是一种宽带隙半导体，其开关速度比硅元件快20 倍，并且可处理高达三倍的功率密度。如果在电机驱动器的PFC 和转换器级中使用GaN 开关，则可以显着降低功率损耗和系统尺寸- 最终，转换器甚至可以集成到电机中。

GaN FET没有PN结，因此不存在反向恢复和相关电荷，开关损耗降低75%至80%，总损耗降低一半以上。这一点在热量产生的显着减少上显而易见，这可能导致散热器显着减少，或者在低功率驱动器中完全省略它们。 2021 年散热器的铝价每公斤上涨8 美元，达到13 年来未见的水平，因此较小的散热器可以降低系统成本。此外，由于设备重量更轻，运输成本也降低了。

GaN 无开关延迟且开关损耗低，为开关频率和转换器的热设计开辟了新的自由度。电机集成驱动器的环境非常恶劣，因为除了振动和强磁场之外，还可能存在较高的环境温度，这使得冷却开关设备变得更加困难。因此，最好从产生尽可能最低损耗的电源开关开始。

集成带来进一步改进

Nanomicro 的GaNSense 技术将GaN 开关的性能与必要的驱动器、保护和传感器电路相结合（图1）。

图1. Nanomicro 的GaNFast IC 采用氮化镓技术，提供全系列集成、自主保护和测量电路。 （图片来源：NanoVis 半导体）

这使得这些组件特别适合可靠且坚固的电机驱动。集成和优化的栅极控制具有自己的电压调节器以及过热和电流保护电路，可以保护开关器件，而不会给外部微控制器带来负担。输入信号是传统的数字信号，避免了外部组件并减少了电路板空间，这对于所有电子设备都内置于电机外壳中的紧凑型驱动转换器非常重要。与硅基开关器件或其他GaN 解决方案中通常使用的分立保护电路相比，GaNSense 可以在30 纳秒内（即快几倍）内发生故障时保护开关，从而显着提高系统可靠性。更多细节可以在[1]中找到。由于温度监控也集成到器件中，因此散热器上不需要NTC 传感器，从而提高了精度并实现了实时温度监控。这对于无法轻松更换或维护的电机集成驱动器非常重要，特别是在需要最大可靠性和可用性的工业应用中。超温时的内置关断功能可以可靠地停止所有开关操作，从而在发生故障时能够快速做出反应。

在使用氮化镓的纳米氮化镓IC中，开关中的电流测量不会造成任何损耗。这消除了大型且昂贵的分流电阻器，但保护电路可以在过流情况下快速关闭半导体，这对于工厂自动化驱动器是必需的。此外，所需的组件总数也减少了，这不仅节省了宝贵的电路板空间，还减少了故障时间(FIT)。 Navitas 最近还宣布对这些产品提供20 年有条件保修，强调了产品卓越的可靠性。

图2. 使用NanoMicro Semiconductor 的新型氮化镓半桥IC 的400W 电机转换器参考设计。 （图片来源：NanoVis 半导体）

所有这些新型半桥产品均采用68mm PQFN 封装，该封装与电路板具有非常好的热连接以及低寄生电感和电阻。这些半桥具有与该公司的GaNFast 单开关相同的坚固性和可靠性，后者已上市多年，并最近宣布提供20 年保修。有关模块的更多信息，请参阅相应的数据表和[2]。

400W 电机驱动器参考设计

半桥GaN IC 的出现使得实现紧凑型电机转换器成为可能。功率级三个半桥之一的接线图如图3 所示。

图3. 功率级三个半桥之一的电路图- 除GaN IC 外，仅需要少量组件。 （图片来源：NanoVis 半导体）

这是第二相的电路，所有三相都是相同的。主要组件是NV6247，其中包含输入电路（PWM）和控制以及两个GaN开关。内置自举电路为上部晶体管驱动器提供必要的电源电路。还包括一个电平转换器，它将输入信号独立于输出传送到上驱动级，从而允许两个输入信号都与地电位相关。这为模块提供了直接数字可控的性能水平。此外，还集成了各种传感器功能。该器件测量下部GaN 开关中的电流，并将其转换为CS 引脚上可用的小测量电流。此外，还会测量GaN IC 的温度并将其馈送到比较器，以便在温度过高时关闭比较器。

IC 连接器包括上部GaN 开关的漏极（VIN，连接到VBUS）、半桥中心（VSW，连接到PHB）、下部GaN 开关的源极连接器（PGND）和IC 地、 IC 的电源电压(VCC)、下栅极电源(VDDL)、下开关转换速率调整(RDDL)、5V 电源输出(5VL)、两个接地相关PWM 输入(INL、INH)、用于测量电流的输出(CS)、使能连接器用于自动待机功能(/STBY)、上部驱动器电源(VB)、顶部栅极电源(VDDH)、顶部5V 电源输出(5VH)。 GaN IC 周围的外部组件包括连接在VCC 引脚和PGND 之间的VCC 块电容器(CVCC)、连接在VDDL 和PGND 之间的另一个VDDL 电容器(CVDDL)、连接在CS 和PGND 之间用于电流检测的电阻器(RSET)、 5V电源（C5VL），以及用于调节VDDL和RDDL之间的开关速度（RDDL）的电阻。自动待机使能引脚(/STBY) 连接至PGND 以启用此模式，或连接至5VL 以禁用此模式。

GaN IC 上部周围的外部元件包括VB 和VSW 之间的VB 隔离电容器(CVB)、VDDH 和VSW 之间的VDDH 隔离电容器(CVDDH) 以及5VH 和VSW 之间的5V 电容器(C5VH)。为了正确设计唤醒和保持时间以及待机功耗，必须根据系统考虑仔细选择VB、5VH 和VDDH 的上部电容器。右边是VBUS电容，薄膜电容或者电解电容都可以。由于该设计专为直流输入而设计，因此小型高压电容器可滤除电源上不需要的谐振。最后，可以选择使用R17 和C18 来防止输出端出现谐振，这种谐振可能是由长电机连接线引起的。

需要注意的是，用户可以使用外部电阻（本例中为R7）来调整断路器的开关速度。较慢的开关速度会增加开关损耗，但不会更多，因为这些损耗本来就非常低。这使得开关速度能够适应发动机的需求，并且能够调整产生的排放以满足所需的标准并减小EMI 滤波器组件的尺寸。 50 是一个很好的起点。

可以选择CS 引脚(R8) 上的电阻器来正确调整微控制器ADC 输入处生成的电压。然而，如果该引脚上的电压超过1.9V，集成的过流关断功能就会激活。因此，了解电阻值对输出电压和过流关断的影响非常重要。

自动待机功能旨在降低NV6247在无开关操作时的功耗。如果在大约90s 内未检测到输入沿，GaN IC 将自动切换到低功耗工作模式，禁用栅极驱动器和其他电路组件，并将工作电流降低至较低值。当再次施加INL 脉冲时，IC 将在唤醒时间（通常为450 ns）后恢复正常工作模式。

参考设计的测量结果

图4. 逆变器效率在宽负载范围内达到99%。 （图片来源：NanoVis 半导体）

该板在以下操作条件下使用BLDC 电机和机械负载进行了测试：直流输入电压300V、环境温度+25C、电机控制FOC 算法、开关频率20kHz。确定电路板对环境的热阻(R th, CA) 约为12.5K/W。图4显示了在不考虑电机效率的情况下逆变器产生的效率，在300W功率下达到99%。

尽管逆变器的效率通常优于电动机，但为了正确设计冷却，识别并最小化逆变器的损耗仍然很重要。 300W输出功率时，功耗小于3W，可大幅减少散热器。这使得系统更容易进行热设计，系统变得更加可靠，并且在某些情况下可以避免与安装更大的散热器相关的安装工作。两条曲线都表明开关速度（红色=20V/ns，蓝色=40V/ns）对效率影响很小。

图5. 电路板热扫描：在300W 输出功率和+25C 环境温度下，IC 封装温度几乎达到+60C。 （图片来源：NanoVis 半导体）

图5 显示，在300W 输出功率和+25C 环境温度下，IC 封装温度几乎达到+60C。由于器件的PQFN 外壳与电路板具有良好的热连接，因此最大输出功率基本上由环境温度和允许的最大电路板温度（通常为+105C）决定。即使在明显更高的温度下，GaN 开关本身也能完美工作，这意味着该技术对于短路或转子堵塞等异常工作条件非常可靠且稳健。在这两种故障中，开关器件的温度都会迅速升高。

综上所述

每个电机都有不同的要求，但重要的趋势都朝着同一个方向发展：提高效率、更好的性能、更低的系统成本。 Navitas 的GaNSense 半桥IC 旨在满足这些趋势并降低功耗，同时降低总体成本。它们在控制、保护和传感器技术方面的高集成度使得电机集成转换器具有高性能和可靠性。