将 GaN 逆变器用于电池供电的电机驱动应用

仓库自主机器人和精益生产线协作机器人等许多应用都要求每个电机的逆变器具有高功率能力，同时又要小巧轻便。这对设计师提出了挑战，因为功率、尺寸和重量一直是相反的属性。在电池供电的应用中，每立方英寸的占用空间和每克减轻的重量都可以延长两次电池充电之间的运行时间。Efficient Power Conversion 的 GaN FET 可帮助设计人员提高功率密度以应对挑战。
EPC9145 电机驱动电源评估板
EPC2206 80 V 2.2 mΩ eGaN® FET（图 1）是总线电压低于 70 VDC 的应用的最佳选择。在电机驱动中，PWM 频率通常保持在 50 kHz 以下，死区时间在 500 纳秒以上。在这些情况下，开关 RDSON 是设计人员关注的主要参数。热性能，特别是器件结壳热阻 Rθjc，是要考虑的第二个参数。传统的基于 MOS 的解决方案每个开关有一个或多个并联器件，并且基于 5 x 6 mm 或 10 x 10 mm 封装，如图 1 所示。
图 1. EPC2206 80V 2.2mohm GaNFET（左侧）与类似 RDSON MOSFET 的比较。成比例的图片。

图 2. EPC9145 - 基于 EPC2206 的三相逆变器电源板 - 10 x 12 cm
EPC9145 是一款采用 EPC2206 的电机驱动评估板，除了用于驱动板上电机的微控制器外，还具备所需的一切。它可以在 70 VDC 的最大总线电压和 25 ARMS 的最大相电流下运行。电机控制器可以从市场上购买的产品中选择，并且可以使用合适的 EPC 配套板进行连接。在图 2 中，从左到右依次是控制连接器、用于向外部微控制器反馈电压和电流的信号调理电路、陶瓷电容器组、带支路分流器和分相器的三相逆变器，最后是电机连接器。
dv/dt 开关波形
EPC9145 PCB 的布局遵循 EPC 最佳布局规则（图 4），确保电源回路中的电感最低。主要标准是观察元件放置的对称性，并将整个高频路径约束在顶层和第一内层。在 EPC9145 的情况下，布局稍微复杂一些，因为高频电源环路中有支路分流器，如图 3 所示。

图 3. 开关单元的详细视图

图 4. EPC 最佳布局建议
HF 电容器为 9 个 220 nF 尺寸 0603，全部并联，以降低高频时的总电感。相同的原理适用于 1mΩ 腿分流传感器，它由四个 SMD 电阻器 4 mΩ 0805 宽体制成。结果在图 5 中可见，其中 V 相的开关节点在上升沿和下降沿随时间摆动，如图所示。
图 5 中的图片已通过无限余辉捕获所有波形，因此最大 dv/dt 清晰可见。没有观察到电压过冲，并且 dv/dt 明显处于典型电机驱动应用中使用的范围内。细心的读者可以观察到死区时间设置为 50 ns（2.5 格）。

图 5. 30V 总线的 V 相上升沿 / 30V 总线的 V 相下降沿电流检测同相与腿分流器
在用于电机驱动的逆变器中使用分立式 eGaN FET 或 GaN ePowerTM 级 IC 时，通常将同相电流分流器与隔离（功能或电流）IC 一起使用，以提取分流电阻器上的低压差分信号从开关相的共模。这种方法的优点是让用户可以在整个 PWM 周期内连续访问相电流信号，但在开关事件期间除外，此时信号可能受到相位 dv/dt 的影响。然而，与支路分流传感相比，同相分流解决方案的更高成本和更低带宽可能不利于 GaN 逆变器在电机驱动中的采用。

图 6. 同相和支路电流检测比较 - 注意：图片中的噪声是由非最佳测量设置拾取的。真实信号更清晰，因为它可以通过控制器电流重建来显示。
EPC9145 为用户提供了测试这两种解决方案并决定哪一种最适合他的应用的机会。事实上，每个开关单元都有同相 1 mΩ 分流器和 1 mΩ 支路分流器。两个电路的 20 倍放大增益、偏移和极性相同，因此用户可以将一个或另一个传感方案连接到外部微控制器，而无需更改任何固件。如图 5 所示，在低侧腿中插入分流器不会对开关行为产生不利影响。

图 7a。具有分流信号开尔文连接的内层
图 7b。上面和下面的层与分流开尔文迹线的模拟接地屏蔽
两种电流测量方法的比较，以及从连接在逆变器输出端的电流探头获得的信号，如图 6 所示。当相电压为高时，桥臂分流器上的信号为零，输出放大器的中心电压为 1.65 V；当相电压较低时，流入同相分流器的电流也流入支路分流器，因此两个放大信号重叠。传统的磁场定向控制算法测量相位低压脉冲中间的电流（图 6 中用两颗星表示），因此，只需改变 EPC9145 板上三个跳线的位置，就可以使用任何两个信号。
精确电流检测的布局规则
EPC9145 展示了将来自分流电阻器的低压信号通过电源板路由到它们被放大并传送到微控制器连接器的点的良好实践。主要标准是在分流器上执行开尔文测量，并使走线尽可能靠近，并由布线层上方和下方的层上的模拟接地笼屏蔽，如图 7 所示。另一个好的做法是将数字接地和电源接地与模拟地，并将它们连接在一个远离电源环路路径的单点上。

图 8. 40 kHz 50 ns DT 操作，60 VDC 17.5 ARMS 相电流 - 支路分流测量
图 9. 60 VDC 10 ARMS 相电流 40 kHz 50 ns DT 时的红外图像（由热电偶确认）无散热器运行
在带有磁滞制动器的电机台架设置中测试 EPC9145 时，使用了同相和腿感测。图 8 显示了 17.5 ARMS 60 VDC 时的电流和电压波形。图 9 显示了 EPC2206 两端的温度，没有散热器和空气对流。在这种情况下，60 VDC 时的电流为 10 ARMS，与环境温度的差异为 30°C。带有和不带有空气对流的散热器测试正在进行中，结果将很快在电路板快速入门指南中报告。
100 kHz 操作的好处
基于 eGaN 的逆变器可以在 100 kHz 下轻松运行。其优点是当 PWM 频率增加时，输入电压和电流纹波会减小，允许用户移除电解电容，只使用更小、更轻、更可靠的陶瓷。EPC9145 的顶部表面装有陶瓷电容器，底部装有电解电容器。顶层和底层都有占位符，因此用户可以安装或卸下电容器，并自行尝试和判断以找到优化重量、尺寸和热操作的正确操作点。
结论
许多电池供电的电机应用正在从传统的硅 MOSFET、低 PWM 频率转向可以在更高 PWM 频率下运行的 GaN 逆变器，并具有在不牺牲整体系统效率的情况下减小尺寸和重量的优势。通过适当的栅极驱动和最佳布局，开关波形清晰，dv/dt 易于管理。
参考
[1] A.Lidow、M. De Rooij、J. Strydom、D. Reusch、J. Glaser，“用于高效功率转换的 GaN 晶体管”。第三版，威利。国际标准书号 978-1-119-59414-7
[2] D.Reusch、Fred C. Lee、David Gilham、苏一鹏，“基于高密度氮化镓的非隔离负载点模块的优化”，ECCE 2012 罗利，北卡罗来纳州
[3] M. Vujacic、M. Hammami、M. Srndovic、G. Grandi，“三相 PWM 逆变器中的直流链路电压开关纹波分析”，能源。2018; 11（2）：471。
[4] M. Palma，“用于电池供电电机驱动应用的基于 GaN ePower Stage IC 的逆变器”，Bodo's Power 2021 年 4 月