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氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)已成为电力电子领域的一项变革性技术。最初，GaN技术是为高频应用(射频)而开发的，后来由于其优于传统硅基半导体的性能，在快速充电解决方案中脱颖而出。

GaN是一种宽禁带半导体，具有高电子迁移率，使其能够承受更高的电压、在更高的频率下工作，并且发热量更低。这些特性使GaN成为紧凑、高效和快速充电解决方案的理想选择——非常适合智能手机和笔记本电脑等普及型设备。

由于大多数商用GaN晶体管的额定电压为650V，因此它们也非常适合高压电机驱动应用。其主要优势包括更高的功率密度和效率、散热更少以及紧凑的系统设计，从而实现高速和精确的电机控制。这在机器人、航天器、电动汽车和无人机等对空间和能源效率要求极高的行业中尤为有利。

用于电机控制的三相逆变器

电压源逆变器(VSI，见图1a)是电机驱动系统的关键组件，它将直流电转换为三相交流电以驱动电机。它由三条支路组成，每条支路包含两个开关(高边和低边)，总共六个功率器件(例如MOSFET、IGBT或GaN HEMT)以桥式结构排列。

通过切换每条支路连接至母线电压(VDC)或地，逆变器在每个开关节点产生调制电压波形。这些电压随后由电机绕组(或必要时使用外部低通滤波器)滤波，以产生具有120°相移的三相正弦输出电压。逆变器采用脉冲宽度调制(PWM)技术来调节输出电压和频率，从而控制电机的转速和转矩。

图1：三相逆变器拓扑结构——(a)电压源和(b)电流源。(来源：英飞凌)

三相逆变器的主要要求

在逆变器工作期间，电荷不可避免地会流过开关电容。在MOSFET中，这与输出电容相关；而在IGBT中，由于存在反并联二极管，情况有所不同。

为了防止直通(即同一相中的两个开关同时导通)，必须引入死区时间，以确保两个开关在短时间内保持关断状态。在此期间，由于能量持续流入电机，电流会流经MOSFET的体二极管或IGBT设计中的外部反并联二极管。

二极管需要反向恢复电荷(Qrr)才能关断，而这恰好发生在最糟糕的时刻——开关两端电压达到峰值时。此过程会产生开关损耗，从而降低逆变器的整体效率。

GaN技术显著提高效率

在电机驱动应用中，最大限度地减少导通损耗和开关损耗对于减少能量浪费和提高效率至关重要。此外，快速开关速度可提高电机控制精度并降低谐波失真，而高功率密度和空间限制则要求采用紧凑轻巧的设计。

在一次专注于宽禁带技术的开发者论坛上，英飞凌科技重点介绍了GaN技术在电机驱动方面的优势。图2展示了一个对比表，其中列出了影响电机驱动运行的关键性能参数，特别是英飞凌CoolGaN系列中的6A IGBT和140mΩ GaN HEMT之间的对比。

图2：6A IGBT与CoolGaN G5——电机控制的关键参数。(来源：英飞凌)

使用650V GaN器件时，所有影响电机驱动运行的关键参数均得到系统性改善。例如，消除Qrr可显著降低导通损耗，尤其是在GaN器件导通的死区末期。

此外，较低的输入电容可最大限度地减少驱动损耗，而较低的反向传输电容(Crss，也称为米勒电容)在三相逆变器中尤为有利。降低Crss可降低寄生导通的敏感性，从而降低直通的风险。

值得注意的是，GaN HEMT还具有与检测电阻和内置短路保护进行单片集成的潜力，从而进一步提高系统的可靠性和性能。

高频运行

随着开关频率的增加，由于信号反射(由电缆长度引起)和电机绕组间电容等因素，电机上会出现高频振铃。这些高频振荡会导致能量损耗，因为只有基频才能产生转矩。为了减轻这些影响，可以使用可选的低通滤波器。

通过将高频分量与低频波形分离，提高开关频率可以降低高频包络，从而降低主要取决于电流纹波的高频电机损耗。然而，过高的开关频率会增加逆变器的损耗，而GaN晶体管凭借其低功耗特性，具有明显优势。

最佳开关频率

一台典型的3马力高压永磁同步电机在320V和12.5A的供电下以1800rpm的转速运行。为了确定最佳开关频率，可以分析基于碳化硅(SiC)和GaN设计的逆变器损耗和高频电机损耗。

如图3所示，使总损耗最小的频率约为20kHz。在此频率下运行还可以延长电机寿命，使其成为消费级电机驱动器的实用选择。

图3：高压电机驱动器的最佳开关频率。(来源：英飞凌)

在使用IGBT或超结CoolMOS的传统硅基技术中，只要采用智能功率模块解决方案或有足够大的PCB用于分立器件设计，功率等级在300W以下无需散热器。然而，在300至500W范围内，散热器和冷却风扇就变得必不可少。

使用GaN开关时，由于采用了创新的封装技术，无需散热器的功率范围可扩展至1kW。此外，在1至3kW范围内，GaN技术能够显著节省能源，从而降低了对散热的要求。

BLDC和CoolGaN评估板

英飞凌开发了一款用于无刷直流(BLDC)电机的评估板，该电机由基于140mΩ CoolGaN晶体管(采用5×6 ThinPAK封装)的逆变器驱动。由于其高效率，该系统无需散热器即可运行，在1kW功率下最高温度低于75°C。

关键工作条件包括：

1kHz开关频率
10V/ns转换速率
200ns死区时间
2.5ARMS电流

在100%和50%负载下，该配置相比6A IGBT可实现高达70%的节能效果。此外，GaN更平滑的开关转换特性即使在更高的转换速率下也能降低电磁干扰(EMI)辐射。这似乎与直觉相悖，因为GaN HEMT具有更高的dV/dt。然而，它们更纯净的开关特性、无反向恢复、更低的共模噪声以及优化的封装，使得其总EMI辐射低于开关速度较慢的硅器件。为此，只需考虑非线性区域停留时间的减少，即可缩短高dV/dt和di/dt相互作用产生辐射EMI的时间。

英飞凌还声称，其新型集成式CoolGaN驱动器与PSoC Control C3微控制器(MCU)和XENSIV电流传感器结合使用时，可实现更高的功率密度。

双向GaN HEMT的未来发展

电流源逆变器(CSI，见图1b)使用电感器来维持恒流，这需要连续的导通路径。如果电流中断，可能会出现高压尖峰，从而损坏电感器或其他电路元件。

CSI拓扑结构需要双向开关，能够在允许单向电流流动的同时，阻断双向电压。这是因为逆变器拓扑结构在开关端子上会承受极性不同的电压。双向电压阻断确保开关能够承受反向电压并将其隔离，从而防止意外电流传导和元件损坏。

与需要额外串联的笨重二极管来实现电压阻断的传统硅器件不同，GaN HEMT本身即可实现双向操作，通常采用两个HEMT的共源极配置。通过利用基于GaN的双向开关，CSI拓扑结构可以以更高的开关频率运行，从而可以使用更小的无源元件并提高整体系统效率。这使得采用GaN供电的CSI在高性能电机驱动、并网逆变器和航空航天电力电子设备领域极具吸引力。