剖析用于电池驱动电机驱动应用的GaN-ePower-Stage IC逆变器

通过消除输入滤波器中的电解电容器，GaN 晶体管和 IC 可以提高电机驱动应用中的功率密度。GaN的卓越开关行为有助于消除死区时间并获得无与伦比的正弦电压和电流波形，从而实现更平稳、静音的操作。

介绍
电池供电的电机驱动应用的直流总线电压范围为 24 VDC 至 96 VDC。通常，逆变器中使用硅 MOSFET，PWM 频率保持在 40 kHz 以下。调制中的死区时间保持在 200 ns 到 500 ns 的范围内。在这种情况下，大部分功率耗散是由于传导损耗造成的，因为 PWM 频率保持在较低水平以避免使用 Si MOSFET 时可能会变得相当高的开关损耗损失。
图 1 显示了一个集成在电机中并通过电缆连接到电池的逆变器。在开关操作期间，逆变器会在电池电缆上的电压和电流上产生纹波，这会成为 EMI 的主要来源。然后在逆变器和电池电缆之间插入一个 LC 滤波器以减少干扰。例如，电动自行车应用中的 LC 滤波器由一个 L = 6μH 的电感器和两个 C = 330 μF 的电解电容器组成。


图 1：来自电池的电缆是 EMI 的来源，需要在逆变器输入端插入 LC 滤波器
与 Si MOSFET 相比，EPC GaN 器件的开关损耗更低，并且没有体二极管 pn 结，因此在硬开关操作中没有相关的反向恢复。这两个因素结合起来有助于消除死区时间并将 PWM 频率提高到可以用陶瓷电容器代替由一个电感器和一个或两个电解电容器组成的输入滤波器的程度。优点是使用更小更轻的逆变器运行更安静。最后但并非最不重要的一点是，从电解电容器转向陶瓷电容器可降低成本并提高系统可靠性。
图 2 显示了配备三个 ePower™ 级 EPC2152 IC 的 EPC9146 逆变器板，用于在本文中报告的有和没有输入滤波器的实验测试中。


图 2：(a) EPC9146 修改为 L=6μH 和两个 C=330μF 输入滤波器 (b) EPC9146 修改为两个 C=22μF 陶瓷电容器 (c) EPC9146 显示了三个 EPC2152 eGaN ePower™ 级 IC
切换行为
三个因素会影响开关事件期间设备的行为：

• 反向电容 CRSS
• 体二极管反向恢复
• 封装和布局导致的电源环路和共源电感
  

反向电容 C RSS
在分析给定器件的硬开关行为时，必须考虑其反向电容 (CRSS) 特性、线性度以及低压值与高压值之间的比率 (CRSSslow/CRSShigh)。事实上，CRSS 在开关事件中起主要作用，在漏极和源极之间观察到的 dvDS/dt 与 CRSS 成反比，并与米勒高原期间流入栅极的 Igate 电流成正比。理想情况下，CRSS 常数与电压的关系将简化栅极驱动器设计，因为设计人员只需调整栅极驱动电阻器的大小即可获得所需的 dv/dt 斜率。实际上，CRSS 值随施加的 VDS 电压而变化，并且根据所使用的技术，非线性会影响整个开关事件。7
传统的栅极驱动是通过电阻器向开关的栅极施加电压来完成的。如果 CRSSlow/CRSShigh 比值过高，可能会出现以下任一情况：

• 开启事件开始时开关太快，导致高 dv/dt
• 导通事件结束时开关太慢，导致尾部效应和更高的功耗
  

图 3 显示了 100 V MOSFET 和 100 V eGaN FET 的 CRSS 与电压曲线。eGaN 器件的换流波形更平滑，因为 CRSS 曲线比 MOSFET 更线性。


图 3：(a) 硅 100 V MOS (BSC027N10NS5) 具有 CRSSlow/CRSShigh = 1500 pF/35 pF = 4 (b) GaN：EPC 100 V eGaN® FET，EPC2022，具有 CRSSlow/CRSShigh = 300 pF/6 pF = 50体二极管反向恢复
在 MOSFET 中有一个本征体二极管，它对半桥臂的硬换向有重要影响。当半桥中的MOSFET针对其互补开关的体二极管导通时，它必须处理反向恢复电流，这取决于负载电流和导通 di/dt [2]。在基于 MOSFET 的电机驱动器中，减缓开启事件以降低 di/dt 并降低反向恢复电流是一种常见的习惯。然而，这需要增加可应用于半桥的最小死区时间。


图 4：(a) 20 kHz 时的电压调制和相电流，死区时间为 500ns
图 4b：20 kHz 时的电压调制和相电流，死区时间为 21ns
在 GaN FET 中，没有本征体二极管及其相关的反向恢复允许具有可重复且平滑的 dv/dt，从而可以减少死区时间。

电源回路和共源电感
布局中的封装共源电感和电源环路电感负责开关节点振铃，这是 EMI 噪声的来源。在传统的 MOSFET 逆变器中，设计人员降低 dv/dt 以减少振铃，但代价是更长的死区时间。当使用具有最佳布局的芯片级封装分立 eGaN FET 时，可以几乎消除共源电感，并且可以将电源回路电感降低到 400 pH。如果使用eGaN集成电路，则可以进一步降低电感。这消除了在电机驱动 eGaN 逆变器中几乎可以消除的死区时间的下限。

死区时间减少效果 - 静音操作
在用于电机驱动的逆变器中使用分立的 eGaN FET 或 GaN ePower™ 级 IC 时，死区时间可以减少到几十纳秒，从而可以将平滑的电压波形施加到电机端子上。图 4 显示了两个不同死区时间值之间在调制电压和相电流方面的差异。消除死区时间提高了所施加正弦电压的质量（以 THD 表示），这反过来又反映在相电流的失真更小以及电机产生的振动和噪声更少。可以在以下链接中找到可以听到差异的视频：https://youtu.be/nr80sdYyL-M

PWM 频率提升效果 – 减少输入滤波器
eGaN 逆变器可以在 100 kHz PWM 频率下轻松运行，这要归功于其较低的开关损耗和在允许的 dv/dt 下更平滑的开关。考虑纯感性负载的最坏情况以简化方程，可以得到输入电压纹波是逆变器输出峰值电流、输入电容值和 PWM 开关频率的函数 [3]：

$$Deltaupsilon _{pp} = frac{1}{f_{sw}}frac{I_{0}}{C_{f}}

作为一阶近似值，如果 PWM 频率从 20 kHz 到 100 kHz，则输入电容可以减少至少 5 倍，以保持相同的输入电压纹波。电容器技术发挥了作用，因此通过提高 PWM 频率，减小系数大于理论值。这将在下一节中解释。
$$Delta I_{D} cong frac{Delta V cdot D }{f_{PWM}cdot L}propto frac{1}{f_{PWM}}$$
输入电流纹波与 PWM 频率成反比。在一个 PWM 周期内，逆变器的每个半桥臂都可以被认为等效于恒流下的降压转换器，类似的公式适用：

电容技术对输入电压和电流纹波的影响
对于低 PWM 频率 (20 kHz)，所需的输入电容要求设计人员使用极化电容器；电解或钽。电解电容器对它们可以支持的 RMS 电流量构成限制，并且在输入滤波器中通常会看到至少两个并联。钽电容的单位体积电容密度低于电解电容，而且价格昂贵。
当 PWM 频率增加时，所需的最小电容会降低，从而允许使用陶瓷电容器。这给设计带来了几个优点，因为陶瓷电容器表现出较低的串联阻抗，最小值在 100 kHz 和 200 kHz 之间，温度更稳定，更可靠。考虑到相同的功耗和功率输出，总体结果是更紧凑和更可靠的逆变器。
图 2 显示了 2 x 330 μF 电解和 2 x 22 μF 之间的空间占用差异。

图 5 显示了比较一个输入电流纹波、输入电压纹波和输出电流纹波

• 在 PWM = 20 kHz DT = 500 ns L = 6 μH C = 2 x 330 μF 时具有 LC 输入滤波器的传统逆变器
• PWM= 100 kHz DT = 21 ns C = 2 x 22 μF 时不带输入滤波器的 eGaN 逆变器。
  

图 5：(a) 在 PWM = 20 kHz 时具有 LC 输入滤波器的传统逆变器 DT = 500 ns L = 6 μH C = 2 x 330 μF eCaps – U 相电流 500 mA/div – 输入电压 200 mV/div – 输入电流200 mA/div –50 μs/div 缩放时间刻度
图 5：(b) 不带输入滤波器的 eGaN 逆变器，PWM = 100 kHz DT = 21 ns C = 2 x 22 μF 陶瓷 – U 相电流 500 mA/div – 输入电压 200 mV/div – 输入电流 200 mA/div – 10 μs/div 缩放时间刻度在图 5 中，两个逆变器都在 36 VDC 电池电压和 5 ARMS 相电流下运行电动自行车电机。很容易看出，输入电压和电流纹波相似，因此即使 100 kHz 的第二个解决方案没有输入滤波器，预期与第一个解决方案在 20 kHz 的滤波器相同的传导 EMI。在第二种解决方案中，输出电流纹波减小，电机中的电流具有更好的正弦波形。

PWM频率增加对输出电压谱的影响
从 20 kHz 到 100 kHz PWM 频率还会带来其他需要考虑的影响。图 6 显示了较低频率和较慢 dv/dt 与较高频率和较高 dv/dt PWM 之间的频谱包络 [3] 比较。增加 PWM 频率会将频谱内容转移到更高的频率，因此为了充分利用 eGaN 逆变器技术，它有助于将逆变器集成到电机中。电机的电源线也可能是 EMI 的来源，但当采用集成模块化电机驱动器 (IMMD) 方法时，它们会降至最低。


图 6：逆变器输出电压频谱包络 – 蓝色 20 kHz 5V/ns – 红色 100kHz 12V/ns
结论
许多电池供电的电机应用正在从传统的 Si MOSFET 低 PWM 变频器转向 GaN 高 PWM 变频器。优势在于消除了电解电容器和输入电感器。EPC 分立式 eGaN FET 和集成电路 ePower™ 级是利用这一优势并将功率密度提高到新水平的完美选择。