解读纳微电机驱动专用型GaNSense氮化镓功率芯片

据估计，电动机和驱动器消耗的电力约占全球总发电量的 45%，相当于每年超过 12,000 太瓦时（TWh）的电力，约为全球最大的新疆 5GW 太阳能发电站总发电量的 1000 倍。该发电站于 2024 年 6 月并网，占地面积与纽约市相当。

01降低电机能耗

采用系统经济的控制方式，可以节省大量电能，主要目标市场为将电能转化为机械能的家用电器领域，取代或节省人力。这些市场的用户，希望电器具有更高的效率，更强的能力和更快的速度。设计者面临的主要挑战为：设计出一个在相同或更小尺寸内输出更大功率、并且提高效率，具有竞争力和价格实惠的产品。

02氮化镓在电机驱动中的应用

被广泛应用的氮化镓（GaN），能迅速实现电机驱动领域的提升效率和功率密度。氮化镓在USB-C充电器和适配器领域的成功应用得到了很好的证明，基于氮化镓的产品得到快速的普及。

氮化镓应用在快充的案例

氮化镓晶体管是所有商用功率半导体中开关损耗最低的，与硅 MOSFET 和 IGBT 相比，可节省超过 50% 的损耗。在电机控制模块中，较低的损耗减少了散热，从而有助于简化热设计，允许减小散热器的尺寸或彻底省去散热器，并实现控制器外形的小型化。这可使装置更易于设计到机柜中，如洗衣机的电子隔间，也可能简化机器制造以加快生产。

此外，氮化镓场效应晶体管在高频下也能高效工作，而硅器件则不能。在电源设计中，为提高开关频率可直接选择更小的外部元件，从而减小尺寸并提高功率密度。当应用在电机领域时，需要考虑的问题更多。

一方面，高频本质上适合与正弦换向等控制算法配合使用，且直流母线电容可以更小。电容必须足以提供保持时间并处理 50Hz/60Hz 母线纹波。实际上，选择还取决于环境工作温度和电容器的参数稳定性、浪涌能力、所需寿命和成本。氮化镓出色的开关性能可实现快速的开启和关闭转换，从而允许以低延迟和死区时间进行精确的开关定时，确保对负载变化的快速动态响应。电磁干扰（EMI）也会降低，允许使用更小的滤波元件。

另一方面，高开关速度可能会引发问题。由于电机代表高感性负载，快速转换会导致振铃和反射，从而导致运行不良和可靠性问题。考虑到典型的家电电机结构，10-20V/ns 通常被视为实现最佳电气和机械性能的最大可行开关速度。

03性能比较

分别对使用硅和氮化镓技术的 600W 洗衣机驱动器进行比较，可以有助于理解基于氮化镓的变换器如何优化以在家用电器中节省能源。

如图 1 所示的硅基驱动器，包括一个硅 IGBT 智能功率模块（IPM）和桥式整流器，两者都安装在散热器下方。假设开关频率为 8kHz（这是此类设计中硅 IGBT 的典型频率），直流母线电容的合适值为 220?F。该电路还需要一个约 3mH的相对较大的共模扼流圈来处理 IGBT 开关噪音。散热器所需的热阻可计算为约 2.4K/W。所选散热器如图 1 所示，尺寸为 128x39x25mm，重量 89g。

图1：基于硅IGBTs打造的600W洗衣机驱动器

采用了纳微电机驱动专用型 GaNSense氮化镓功率芯片的 600W 基于氮化镓的逆变器（图 2）围绕着三颗10x8mm QFN 表贴半桥氮化镓功率芯片打造。这些集成的芯片内置栅极驱动器，可确保最佳开关，并保护敏感的氮化镓栅极免受电压浪涌和振铃等威胁。还提供系统保护，有助于降低整体元件数量，具有裸露源极焊盘的热增强 QFN 封装可通过 PCB 促进散热，实现无散热器设计。开关频率为 16kHz，是基于硅设计的两倍，氮化镓功率芯片的直流链路电容降至仅 82pF。此外，主要的氮化镓功率芯片和大多数外部元件都是适合高速自动化组装的表面贴装器件。

图2：采用氮化镓功率芯片可以减小直流链路电容，

实现无散热器设计

下表比较了基于氮化镓和硅的驱动器的关键特性。在相同总线电压、电流和电机功率的条件下，基于氮化镓的驱动器损耗显著降低。尽管由于更简单的无散热器设计而具有更高的热阻，但器件结温大大降低。

表3：氮化镓驱动和硅基驱动的性能对比

04为电机控制所优化的氮化镓

除了针对比电源或充电器中典型的更慢开关速度进行优化外，高速短路保护是氮化镓电机驱动中的关键要求。在通用电机驱动器中，包括控制器、带有逆变器和栅极驱动器的智能功率模块（IPM）以及传感和滤波元件，短路保护通常依赖于感测通过噪声滤波元件反馈的电流，以生成关闭栅极驱动器的警告信号（ITRIP）（见图 4）。通过噪声滤波器、比较器和栅极驱动器的信号延迟可能长达 2?s。

图4：基于逆变器的电机驱动的一般特性

IGBT 可以承受几微秒的过流条件，而氮化镓器件更容易损坏，因此需要更快的保护。纳微半桥氮化镓功率芯片所搭载的 GaNSense技术在内部实现了无损电流感测，在专用引脚上生成 CS 信号。这可用于在 100ns内关闭功率开关，该速度足以保护氮化镓器件免受损坏。还提供过温保护、智能低电流待机模式和自动待机使能输入（STBYN）。

图5：针对电机控制优化的氮化镓半桥功率芯片

可最大限度降低过流保护延迟

在电机驱动中，每相的双向电流感测是确保正确电机控制反馈的关键要求，通常通过在每相的低端插入分流电阻来实现。图4显示的这些电阻必须与 GaNSense 快速动作短路保护结合保留（如图5所示）。

目前，电机驱动专用型 GaNSense 氮化镓技术在氮化镓功率芯片中集成了双向无损电流感测，可消除三个外部分流电阻，使设计人员能够抹去与这些元件相关的功率损耗和物料清单成本。该内部电流感测（CS）模块的输出都可以 “或” 在一起，以支持需要单个分流器的控制器，或者可以单独监控以用于更复杂的控制方案。

此外，内部 CS 功能包含一个放大器，允许在需要高精度的应用中灵活使用精密外部分流电阻。该电阻的值可以很低，使得其端子两端的最大电压小于 100mV，而大多数外部分流器的尺寸设计为在最大预期负载电流下提供 500mV 甚至 1V。这使设计人员能够节省与外部感测分流器相关的大部分损耗，同时避免用于放大小分流电压的分立放大器的物料清单成本。

05结论

随着针对家电等设备的法规颁布，强制要求电机驱动以更高的效率和可靠性运行，对更高额定功率、更高性能、更好效率和更小外形尺寸的需求无处不在。

纳微全新发布的电机驱动专用型 GaNSense氮化镓功率芯片，包括双向电流感测，能够满足功率转换应用中的这些需求。随着电机功率水平和性能要求的提高，该芯片有望取代硅，使家电设计能够同时提高效率、功率密度和可靠性。