氮化镓晶体管简化大电流电机驱动逆变器设计.docx

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1、氮化钱晶体管简化大电流电机驱动逆变器设计目录1.序言1?氮化钱优势1?氮化钱如何促进更高效的DC-DC转换器设计23.1.概述2?两个设计示例3?效率更高，成本更低4?简化电机驱动应用中氮化钱晶体管的布局4?氮化钱场效应管基本布局指南5?EPC9186布局方法6?EPC9186实验结果7?结论81.序言叉车应用的逆变器由24V至120V之间的直流电压供电，可提供高达900ARMS电机相电流。通常，每个生产商都有一个平台方法，并销售按电压范围划分的产品系列，其中逆变器的大小取决于在瞬态期间（例如，2分钟）可以实现的最大电流。这些应用的典型逆变器包含在IP65等级的外壳（例如：150mmX120m

2、mX60mm）中，并带有厚铝底板。在外壳内部，功率晶体管通过热和机械连接到铝基板的绝缘金属基板（IMS）板上。IMS板上方是一个超高密度PCB,带有栅极驱动器、模拟信号调理、电源和至少两个微处理器，一个专用于功能，另一个专用于安全。需要一定数量的并联晶体管来处理电流和导通和开关耗散产生的热量。目前，硅MoS技术主导着市场，对可并行使用的最大器件数量、最大PWM开关频率和互补开关之间的死区时间施加了限制。第一个约束限制了最大电流,而另外两个约束降低了电机效率。借助GaN技术，这种情况正在不断发展。氮化锡优势半导体材料中的临界场决定了器件的击穿电压。对于给定的击穿电压，电场越高，漂移区域的宽度越短

3、。在GaN晶体管中，临界场比硅高一个数量级，二维电子气体(2DEG)产生的电子迁移率使得导通电阻低，同时保持其尺寸小。氮化钱技术是平面的;对于给定的导通电阻，这些器件的电容比硅器件低约一个数量级。更小的尺寸和电容允许在同一基板上并联更多器件以处理更多电流。止匕外，较小的电容有助于提高PWM频率并减少死区时间，从而提高电机效率。?.氮化钱如何促进更高效的DC-DC转换器设计3.1.概述氮化钱(GaN)正在成为多种功率转换应用的首选技术，包括用于风能和太阳能系统中可再生能源应用的DaDC转换器。与硅基DC-DC转换器相比，转向GaN可实现更高的频率，从而缩短了负载电流变化的响应时间。虽然基于GaN

4、的DC-DC升压转换器广泛用于数据中心、计算和汽车应用，但它们也越来越多地用于智能电网实施，如太阳能逆变器和风力涡轮机的电机驱动器。在这里，分立式和集成式GaN解决方案的能效和功率密度至少是硅MOSFET的两倍。GaN在提高转换效率和功率密度方面的潜力是公认的，RAMInnovations总经理NigeISaIter表示。他的公司与剑桥氮化钱器件公司合作，为工业、汽车和航空航天应用封装基于氮化线的DC-DC转换器。高效功率转换(EPC)的联合创始人兼首席执行官A1ex1idow承认电源转换设计的这种转变。GaNFET可以实现DC-DC转换器的最大功率密度。EPC最近与AD1公司和瑞萨电子携手合

5、作，帮助开发高密度、低成本的DC-DC转换器。?.2.两个设计示例EPC将其eGaNFET与瑞萨电子的控制器IC相结合，创建了一个演示板,可将12V输入转换为48V稳压输出，开关频率为500kHzo输出电压可配置为36V、48V和60V,该板无需散热器即可提供480W功率。IS181807EPC2218Contro11erEPC9166是一款500WDC-DC演示板，将EPC的EPC2218eGaNFET与瑞萨电子IS181807(80V两相同步升压控制器)相结合，无需微控制器(MCU)、电流检测运算放大器、外部驱动器或偏置电源。它还具有轻负载工作模式、可调死区时间和过流保护。在类似的设计工作

6、中，EPC与AD1公司合作开发了一种参考设计板，该设计板的工作频率为500kHz,可将48-54V的输入电压转换为稳定的12V输出;它每相可提供高达25A的电流或50A的总连续电流。1TC7890是一款IOOV低Iq双通道2相同步降压型控制器，经过全面优化，可驱动EPCGaNFET,并集成了一个半桥驱动器和智能自举二极管。这使其能够提供优化的接近零死区时间或可编程死区时间和高达3MHz的可编程开关频率。EPC2218是一款IOOV增强型GaNFET,对于96V输出和5V输入，效率高于1248%。它可以提供高达60A的连续电流和231A的峰值电流，同时确保在500kHz开关频率下具有极小的开关损

7、耗。?.3.效率更高，成本更低上述设计示例演示了GaN和压降功能的组合如何在低负载下实现高效的功率转换。集成控制器还消除了复杂的DC-DC转换器控制软件开发的需要，并提供了一种简单且经济高效的驱动GaN晶体管的方法。是什么推动GaN器件进入DC-DC转换器设计？简短的回答是功率密度的提高。然后，由于开关频率高，元件数量更少，磁性元件更小，与硅MOSFET相比，这反过来又导致PCB面积明显更小。例如：它允许使用非常小的13H电感器。因此，在广泛的负载范围内提高了能源效率，并降低了整体系统成本。GaN技术的其他方面使其适用于DC-DC转换应用。例如，GaN晶体管的开关能力可实现非常低的输入和输出噪

8、声。基于GaN的转换器还允许电源系统设计人员创建现成的电源转换解决方案。?.简化电机驱动应用中氮化锡晶体管的布局氮化钱晶体管的开关速度比等效的硅MoSFET快。但是，权力越大，责任越大：布局必须精心设计。漏源电源环路电路和栅源环路电路对寄生电感很敏感。这对于开关频率必须在20OkHZ以上的功率转换器中非常重要。电机驱动GaN逆变器的开关频率高达IOokHz,开关dv/dt设置为小于10Vns,以兼容电机绕组绝缘高频击穿要求。虽然大多数布局考虑因素仍然成立，但其他考虑因素可以在不影响最终结果的情况下放宽。?.氮化锡场效应管基本布局指南在不影响模块化的情况下，降低寄生电感并遵循对称方法至关重要。三

9、种类型的寄生电感会对逆变器运行产生不利影响，如图1所示：共源寄生电感(CS1)(图1绿色框)：GaNFET栅极信号的返回路径必须与源极焊盘中的高电流路径分开。这种寄生电感对转换器工作有最大的不利影响，也是设计评审中最常见的错误。EPCGaNFET没有专用的开尔文栅极回路连接,因此必须在PCB布局中进行此连接1。电源回路寄生电感(1)(图1棕色框)：包含DC+和GND的高频电流环路必须具有低电感以减少振铃，这会导致损耗和相关的EM1产生。GND平面的内部垂直布局已被证明会产生最低的电感布局3o栅极环路寄生电感(1)(图1洋红色盒)：GaNFET栅极的推荐电压额定值和最大额定电压比硅MOSFET更

10、严格;因此，必须特别注意栅极信号路径，该路径必须始终与栅极回路配对。这是设计评审中遇到的第二个最常见的错误。并联FET时，所有栅极路径应具有相同的阻抗(即相同的长度)，以匹配每个栅极的电压幅度和传播。GatedriverVDDO1PWMhOPWM1oQGNDO1tO(3)栅极环路。图片由Bodo的动力系统提供PDF*图1寄生电感：(I)CS1,(2)电源环路,(a)(b)*图2并联a)晶体管与b)半桥。图片由BodO的动力系统提供PDF*这些规则的一个结果是，对于高频GaN转换器，通常并联半桥而不是并联晶体管。示例如图2所示。但是，EPC9186参考设计采用并演示了一种更简单的方法，因为电机驱

11、动器的开关速度比高频转换器慢。?.EPC9186布局方法EPC发布了几款使用GaNFET和GaN集成电路的电机驱动逆变器参考设计板。所有参考设计板共享相同的框图和控制器连接器，以帮助设计人员在逆变器系列的设计阶段扩大电流和电压。新EPC9186尺寸为10cmX13.5cm,是额定电压为IOOV和150ARMS稳态相电流的电机驱动逆变器的功率部分。它包括一个10层2OZFR4PCB和辅助电源，可从直流母线、相电压、电流检测电路和过流保护比较器产生5V和3.3VoEPC9186电机驱动逆变器可与EPC9147x控制器配对，允许设计人员使用他们喜欢的运动控制器。EPC9186开关电池有四个并联的EP

12、C2302晶体管，采用简化的布局放置，放宽了并联GaNFET设计规则。栅极驱动器位于开关单元的左侧;低侧和高侧GaNFET排成两排，朝向相位输出连接器。图3显示了EPC9186板和开关单元的细节，其中11和H1是最接近栅极驱动器的低侧和高边晶体管，14和H4是离栅极驱动器最远的晶体管。电机相位输出连接器如图所示。DCGND图3EPC9186100V,150A每相电机驱动板。切换右侧的单元格详细信息。图片由Bodo的动力系统提供PDF此布局部分遵循上一节中给出的内部垂直布局规则b）；也就是说，第一内层是GND连接，以最小化电源环路电感，但是，由于开关DV/DT较低，开关单元没有高频电容器。EPC

13、9186中没有严格遵循所有栅极信号具有相同长度的通用准则，因为栅极路径长度随着与栅极驱动器的距离而增加。栅极信号封装在相应栅极信号回路的两层内，用作屏蔽。这两层连接到每个晶体管的单个开尔文点，以降低共源电感。?.EPC9186实验结果实验测试表明，简化开关电芯功率部分布局方法不会损害逆变器性能。图4显示了所有晶体管中的干净栅极信号，与栅极驱动器的距离无关。图5显示了稳态相电流能力与可接受的温升的函数关系。稳态电流取决于热条件，电路板使用由4001FM气流冷却的散热器进行测试。pae1。AVgs11,141V/div-VgsH1,H4/1VZdivVGSHI，H4j-Vgs114.1V/div1

14、V/divHIPZ80A50ns/div*图4在+10OA和-80A电机相电流下，栅极信号为HI-11与H4-14。时间50纳秒/格图片由Bodo的动力系统提供PDF*R)2f5EBdE81aaEPC9186withHeatsinkand4001FMAirf1ow-48V70605040302010030507090110130150PhaseCurrent(Arms)*图5.EPC9186电流与温度和频率的关系。图片由BOdO的动力系统提供PDF*?.结论EPCGaNFET器件比硅MoSFET小，并且对外壳的热阻较低，允许双面冷却。它们允许并联更多设备，可以在相同的逆变器外壳体积内传导更多电流，同时表现出卓越的热管理。这有利于电池供电的工业车辆，如叉车、手动搬运机或仓库自动车辆，这些车辆需要更小体积的更高电流。