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为什么GaN能成为电机驱动应用的最佳解决方案?

时间:2021-12-22 09:00:28 作者:EPC 阅读:
为什么使用GaN器件?与硅MOSFET相比,eGan晶体管在100V时提高了主要的FOM(即面积X 导通阻抗)达5倍。这个改进实现了更小的尺寸和更低的成本,或在相同尺寸下实现更低的导通阻抗。
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许多人问我,GaN器件最适合用于电机驱动市场的哪一部分?

GaN器件的目标应用是输入电压在24 V到150 V之间,通常是48 V。关键应用是无刷直流电机,即BLDC。典型的应用是伺服驱动器、电动自行车和电动滑板车、协作和低电压机器人和医疗机器人、工业用无人机,以及车载电机。在这些应用中,电机驱动器被集成到电机上,小型化和低重量是氮化镓器件的关键优势。最后,更高的电池效率对延长电池寿命至关重要。

无刷直流(BLDC)电机很受欢迎且越来越多机器人、电动汽车和无人机等应用采用它。这类应用有特别的需求,如轻量级、小尺寸、低扭矩纹波和精确控制。为了满足这些需求,为电机供电的逆变器需要以更高的频率运行,但同时需要先进的技术来减少由此产生的更高的功耗。氮化镓器件具备在硬开关拓扑结构中以更高频率运行而不产生重大功耗的优势。

哪些应用不会使用GaN器件?有刷电机正在从市场消失,大多数都是用不要求速度的侧面斩波器驱动。至于典型的小家电的步进电机,这是MOSFET的领域。至于工业机器人和电器,这些应用一般都是高电压和高功率。这是HV IGBT的领域。

为什么使用GaN器件?与硅MOSFET相比,eGan晶体管在100V时提高了主要的FOM(即面积X 导通阻抗)达5倍。这个改进实现了更小的尺寸和更低的成本,或在相同尺寸下实现更低的导通阻抗。此外,GaN器件的FOM(RDSon X Qg)也比硅器件好5倍,从而实现更低的功耗。最后,GaN器件具有零反向恢复和更少的开关损耗允许增加频率以获得更高的功率密度。

以100V的GaN FET为例,其尺寸超小,RDSon从20 mOhm至3.1 mOhm;而包括驱动器、电平转换器、自举电路和半桥FET的集成功率级简化了设计并缩小尺寸,我们可以看到,在所有48VIN的拓扑结构中,GaN器件的效率最高。

热性能是一个问题吗?不,GaN器件是双面冷却的。也就是说,如果我们将GaN FET的热阻至外壳值与采用最佳热封装的MOSFET(DirectFET)进行比较,eGaN器件比同类最佳的DirectFET好6倍,因为eGaN芯片可以通过PCB顶部和侧边散热。较低的热阻带来了令人难以置信的热性能。例如一个小小的4 mm2的芯片可以耗散6 W的热量,温升只有24度,或每瓦4摄氏度。对于电机驱动,尺寸和成本非常重要,而效率则由电机主导。 因此,许多应用的关键目标是在尽可能小的体积内驱动最大的电流。

这些性能特点如何适用于永磁同步电机和无刷直流电机(BLDC)? 使用eGaN器件可以使电机更小、更轻,开关损耗更低。零Qrr降低了EMI,而且由于没有封装电感,你可以得到非常干净的波形,从而能够在无刷直流电动机的输出端使用全正弦波滤波器。eGaN器件允许设计在高达100kHz以上的高频率下运行。 这样就可以实现超低电感的电机运行、更高的位置精度、更低的电流纹波、更低的扭矩纹波和更低的可听噪声。

自行车和滑板车的电动车市场规模巨大。eGaN器件将是高端市场的最佳解决方案,因为在高端市场中,电机必须非常小、非常轻。

协作机器人(或称cobot)和低压工业机器人是GaN的一个目标应用。eGaN器件用于cobot和低电压机器人电机的主要价值是体积小、重量轻和效率高。 此外,低开关损耗可以提高开关频率以获得更高的精度。虽然高压工业机器人通常是基于380V 3相的交流驱动器,但对于这些应用来说,低电压操作是首选,因为人类就在操作范围内。  

氮化镓在医疗应用中的价值如何?在手术机器人方面,其精确性可以拯救你的生命! 此外,高频率的操作可以提高诊断和显示设备的准确性。医疗应用中的GaN器件包括执行手术的医疗机器人、MRI机器等扫描设备以及结肠镜检查药丸等。

直流伺服驱动器用于机床、包装和纺织。在直流伺服驱动器中,变频器被集成到电机上,因此高精度和小型化是至为重要。此外,由于不再需要EMI电缆和绕组屏蔽,GaN器件可以实现更高的频率操作,从而减少了EMI,节省了设备成本。GaN器件最佳是在10 Vdc至150 Vdc @ 1-2kW直流输入下工作。在这个范围之外,一般使用IGBT解决方案。

在无人机应用中,无人机的每个手臂都有一个电机,电机驱动器需要非常小,以便与手臂上的电机集成。GaN器件可以使无人机更小、更轻且具有更高的电池效率,以及可以飞得更远。

GaN器件在48V汽车电机中的价值在于可以减少电机的尺寸和重量、没有可闻的噪音、更好的扭矩、延长电池寿命,以及更高的效率。 

我可以预见更多的现有应用将在2022年转而使用氮化镓器件,而新的应用也将快速发展并将采用氮化镓器件。我们正在改变世界的生活方式。

责编:Luffy Liu

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