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氮化镓晶体管实现电机逆变器的理想功率损耗

宣布日期:2021-04-30 14:01

与开关电源差别,三相电机驱动逆变器通常接纳低开关频率 ;只有几万赫兹。大功率电机体积大,绕组电感高。因此,纵然在低开关频率下,电流纹波也是可以接受的。随着电机技术的生长,功率密度增加。这种电机体积小,速度快,需要更高的电气频率。

低定子电感的低压无刷DC或交流感应电机越来越多地或专门用于精密应用,如伺服驱动、数控机床、机械人和公共无人机。为了将电流纹波坚持在合理的规模内,这些电机——由于其低电感——,需要高达100kHz的开关频率 ;相电流纹波与PWM(脉宽调制)开关频率成反比,在机械中转化为转矩脉动,爆发振动,降低驱动精度和效率。

那么工程师为什么不提高开关频率呢?一如工程上一贯的原则,这是一种妥协。逆变器的功率损耗主要包括导通损耗和开关损耗。您可以通过减小开关元件(通常是MOSFET)的尺寸来降低给定事情频率下的开关损耗,但这将导致传导损耗的增加。

在理想的设计中,可抵达的最高效率受到半导体开关技术的限制。使用古板的基于低压48V硅MOSFET的逆变器,40kHz PWM下的开关损耗可能已经明显高于导通损耗,而导通损耗组成了总功率损耗的绝大部分。为了散发多余的热量,需要一个更大的散热器。不幸的是,这增加了系统本钱、重量和整体解决计划尺寸,这在空间受限的应用中是不希望的或不可接受的。

氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)比硅场效应晶体管有许多优势,这开辟了新的可能性。氮化镓晶体管可以实现更高的dV/dt压摆率,因此它可以比硅MOSFET开关更快,从而显著降低开关损耗。氮化镓晶体管的另一个优点是没有反向恢复电荷,这将导致开枢纽点振铃。表1比较了硅场效应晶体管和氮化镓场效应晶体管。

参数

硅场效应晶体管

钛的甘(HEMT)

注意

元素结构

笔直的

成十字形地

特定无线电数据系统(开),区域

10mW-cm2

5-8mW-cm2

传导损耗更低。

大门收费QG

~4nC-W

~1-1.5nC-W

降低栅极驱动器的损耗,实现更快的开关速度,降低开关损耗和死区失真。

输出电荷QOSS

~25nC-W

~5nC-W

较低的输出电容可以实现更快的开关速度并减少开关电荷损失

反向恢复QRR

~2-15mC-W

没有

零反向恢复可以实现高效的半桥逆变器,减少/消除硬开关中的振铃。

表1:硅功率场效应晶体管和钛氮化镓场效应晶体管的比较(HEMT)

如果用新的氮化镓场效应晶体管完全取代现有的硅场效应晶体管,利益就会获得享受,世界就会变得越来越简单。例如,在栅极驱动电路和印刷电路板(PCB)结构中实现高转换速率具有奇特的挑战。如果处理不当,更高的dV/dt意味着电磁滋扰(EMI)增加。通道间流传延迟的不匹配将限制可抵达的最佳死区时间,从而阻止氮化镓场效应晶体管实现其最佳性能。

TI的LMG5200GaN功率级克服了这些困难,将两个80v/10a18-m gan场效应晶体管与栅极驱动器集成在同一个未粘合的6mm x 8mm四方扁平无引脚(QFN)封装中。封装引脚接纳低功率环路阻抗设计,PCB结构简单。输入为5V TTL和3.3V CMOS逻辑兼容,典范流传延迟失配为2ns。这使得可以实现很是短的死区时间,并降低损耗和输出电流失真。

48V/10A高频脉宽调制三相氮化镓逆变器的参考设计实现了三个LMG5200半桥氮化镓功率?榈腂6逆变器拓扑。图1是简化的框图。参考设计提供了一个TI BoosterPack?榧嫒萁涌,用于连接到C2000微控制器(MCU)LaunchPad套件进行性能评估。

图1:高频三相氮化镓逆变器的参考设计

知道这么多理论,你好奇在实践中能做到多快的切换吗?图2显示了压摆率约为40V/ns的开枢纽点。虽然开关速度超快,但开枢纽点过冲小于10V。与古板的硅场效应晶体管设计差别,这需要场效应晶体管的VDS击穿电压和最大允许Vbus电源电压之间有很小的余量。

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