據(jù)估計(jì)，電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器消耗的電力約占全球總發(fā)電量的 45%，相當(dāng)于每年超過 12,000 太瓦時(shí)（TWh）的電力，約為全球最大的新疆 5GW 太陽能發(fā)電站總發(fā)電量的 1000 倍。該發(fā)電站于 2024 年 6 月并網(wǎng)，占地面積與紐約市相當(dāng)。

01降低電機(jī)能耗

采用系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的控制方式，可以節(jié)省大量電能，主要目標(biāo)市場(chǎng)為將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的家用電器領(lǐng)域，取代或節(jié)省人力。這些市場(chǎng)的用戶，希望電器具有更高的效率，更強(qiáng)的能力和更快的速度。設(shè)計(jì)者面臨的主要挑戰(zhàn)為：設(shè)計(jì)出一個(gè)在相同或更小尺寸內(nèi)輸出更大功率、并且提高效率，具有競(jìng)爭(zhēng)力和價(jià)格實(shí)惠的產(chǎn)品。

02氮化鎵在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

被廣泛應(yīng)用的氮化鎵（GaN），能迅速實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的提升效率和功率密度。氮化鎵在USB-C充電器和適配器領(lǐng)域的成功應(yīng)用得到了很好的證明，基于氮化鎵的產(chǎn)品得到快速的普及。

氮化鎵應(yīng)用在快充的案例

氮化鎵晶體管是所有商用功率半導(dǎo)體中開關(guān)損耗最低的，與硅 MOSFET 和 IGBT 相比，可節(jié)省超過 50% 的損耗。在電機(jī)控制模塊中，較低的損耗減少了散熱，從而有助于簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)，允許減小散熱器的尺寸或徹底省去散熱器，并實(shí)現(xiàn)控制器外形的小型化。這可使裝置更易于設(shè)計(jì)到機(jī)柜中，如洗衣機(jī)的電子隔間，也可能簡(jiǎn)化機(jī)器制造以加快生產(chǎn)。

此外，氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管在高頻下也能高效工作，而硅器件則不能。在電源設(shè)計(jì)中，為提高開關(guān)頻率可直接選擇更小的外部元件，從而減小尺寸并提高功率密度。當(dāng)應(yīng)用在電機(jī)領(lǐng)域時(shí)，需要考慮的問題更多。

一方面，高頻本質(zhì)上適合與正弦換向等控制算法配合使用，且直流母線電容可以更小。電容必須足以提供保持時(shí)間并處理 50Hz/60Hz 母線紋波。實(shí)際上，選擇還取決于環(huán)境工作溫度和電容器的參數(shù)穩(wěn)定性、浪涌能力、所需壽命和成本。氮化鎵出色的開關(guān)性能可實(shí)現(xiàn)快速的開啟和關(guān)閉轉(zhuǎn)換，從而允許以低延遲和死區(qū)時(shí)間進(jìn)行精確的開關(guān)定時(shí)，確保對(duì)負(fù)載變化的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。電磁干擾（EMI）也會(huì)降低，允許使用更小的濾波元件。

另一方面，高開關(guān)速度可能會(huì)引發(fā)問題。由于電機(jī)代表高感性負(fù)載，快速轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致振鈴和反射，從而導(dǎo)致運(yùn)行不良和可靠性問題。考慮到典型的家電電機(jī)結(jié)構(gòu)，10-20V/ns 通常被視為實(shí)現(xiàn)最佳電氣和機(jī)械性能的最大可行開關(guān)速度。

03性能比較

分別對(duì)使用硅和氮化鎵技術(shù)的 600W 洗衣機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行比較，可以有助于理解基于氮化鎵的變換器如何優(yōu)化以在家用電器中節(jié)省能源。

如圖 1 所示的硅基驅(qū)動(dòng)器，包括一個(gè)硅 IGBT 智能功率模塊（IPM）和橋式整流器，兩者都安裝在散熱器下方。假設(shè)開關(guān)頻率為 8kHz（這是此類設(shè)計(jì)中硅 IGBT 的典型頻率），直流母線電容的合適值為 220μF。該電路還需要一個(gè)約 3mH的相對(duì)較大的共模扼流圈來處理 IGBT 開關(guān)噪音。散熱器所需的熱阻可計(jì)算為約 2.4K/W。所選散熱器如圖 1 所示，尺寸為 128x39x25mm，重量 89g。

圖1：基于硅IGBTs打造的600W洗衣機(jī)驅(qū)動(dòng)器

采用了納微電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用型 GaNSense氮化鎵功率芯片的 600W 基于氮化鎵的逆變器（圖 2）圍繞著三顆10x8mm QFN 表貼半橋氮化鎵功率芯片打造。這些集成的芯片內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器，可確保最佳開關(guān)，并保護(hù)敏感的氮化鎵柵極免受電壓浪涌和振鈴等威脅。還提供系統(tǒng)保護(hù)，有助于降低整體元件數(shù)量，具有裸露源極焊盤的熱增強(qiáng) QFN 封裝可通過 PCB 促進(jìn)散熱，實(shí)現(xiàn)無散熱器設(shè)計(jì)。開關(guān)頻率為 16kHz，是基于硅設(shè)計(jì)的兩倍，氮化鎵功率芯片的直流鏈路電容降至僅 82pF。此外，主要的氮化鎵功率芯片和大多數(shù)外部元件都是適合高速自動(dòng)化組裝的表面貼裝器件。

圖2：采用氮化鎵功率芯片可以減小直流鏈路電容，

實(shí)現(xiàn)無散熱器設(shè)計(jì)

下表比較了基于氮化鎵和硅的驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵特性。在相同總線電壓、電流和電機(jī)功率的條件下，基于氮化鎵的驅(qū)動(dòng)器損耗顯著降低。盡管由于更簡(jiǎn)單的無散熱器設(shè)計(jì)而具有更高的熱阻，但器件結(jié)溫大大降低。

表3：氮化鎵驅(qū)動(dòng)和硅基驅(qū)動(dòng)的性能對(duì)比

04為電機(jī)控制所優(yōu)化的氮化鎵

除了針對(duì)比電源或充電器中典型的更慢開關(guān)速度進(jìn)行優(yōu)化外，高速短路保護(hù)是氮化鎵電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的關(guān)鍵要求。在通用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，包括控制器、帶有逆變器和柵極驅(qū)動(dòng)器的智能功率模塊（IPM）以及傳感和濾波元件，短路保護(hù)通常依賴于感測(cè)通過噪聲濾波元件反饋的電流，以生成關(guān)閉柵極驅(qū)動(dòng)器的警告信號(hào)（ITRIP）（見圖 4）。通過噪聲濾波器、比較器和柵極驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)延遲可能長(zhǎng)達(dá) 2μs。

圖4：基于逆變器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一般特性

IGBT 可以承受幾微秒的過流條件，而氮化鎵器件更容易損壞，因此需要更快的保護(hù)。納微半橋氮化鎵功率芯片所搭載的 GaNSense技術(shù)在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了無損電流感測(cè)，在專用引腳上生成 CS 信號(hào)。這可用于在 100ns內(nèi)關(guān)閉功率開關(guān)，該速度足以保護(hù)氮化鎵器件免受損壞。還提供過溫保護(hù)、智能低電流待機(jī)模式和自動(dòng)待機(jī)使能輸入（STBYN）。

圖5：針對(duì)電機(jī)控制優(yōu)化的氮化鎵半橋功率芯片

可最大限度降低過流保護(hù)延遲

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，每相的雙向電流感測(cè)是確保正確電機(jī)控制反饋的關(guān)鍵要求，通常通過在每相的低端插入分流電阻來實(shí)現(xiàn)。圖4顯示的這些電阻必須與 GaNSense 快速動(dòng)作短路保護(hù)結(jié)合保留（如圖5所示）。

目前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用型 GaNSense 氮化鎵技術(shù)在氮化鎵功率芯片中集成了雙向無損電流感測(cè)，可消除三個(gè)外部分流電阻，使設(shè)計(jì)人員能夠抹去與這些元件相關(guān)的功率損耗和物料清單成本。該內(nèi)部電流感測(cè)（CS）模塊的輸出都可以 “或” 在一起，以支持需要單個(gè)分流器的控制器，或者可以單獨(dú)監(jiān)控以用于更復(fù)雜的控制方案。

此外，內(nèi)部 CS 功能包含一個(gè)放大器，允許在需要高精度的應(yīng)用中靈活使用精密外部分流電阻。該電阻的值可以很低，使得其端子兩端的最大電壓小于 100mV，而大多數(shù)外部分流器的尺寸設(shè)計(jì)為在最大預(yù)期負(fù)載電流下提供 500mV 甚至 1V。這使設(shè)計(jì)人員能夠節(jié)省與外部感測(cè)分流器相關(guān)的大部分損耗，同時(shí)避免用于放大小分流電壓的分立放大器的物料清單成本。

05結(jié)論

隨著針對(duì)家電等設(shè)備的法規(guī)頒布，強(qiáng)制要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)以更高的效率和可靠性運(yùn)行，對(duì)更高額定功率、更高性能、更好效率和更小外形尺寸的需求無處不在。

納微全新發(fā)布的電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用型 GaNSense氮化鎵功率芯片，包括雙向電流感測(cè)，能夠滿足功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的這些需求。隨著電機(jī)功率水平和性能要求的提高，該芯片有望取代硅，使家電設(shè)計(jì)能夠同時(shí)提高效率、功率密度和可靠性。