歐盟大約有 80 億臺電動機在使用，消耗了歐盟生產(chǎn)的近 50% 的電力。由于提高效率和減少碳足跡是政府和行業(yè)的主要目標，因此存在多項舉措來降低這些電機的耗電量。例如，許多家用電器能源標簽的全球標準通過降低能耗以及可聽和電氣噪聲等來影響電器的設(shè)計。另一個例子是歐洲引入了工業(yè)電機的效率等級，有效地切斷了低效率電機的市場。

因此，我們看到了感應(yīng)電機的興起，例如無刷直流 (BLDC) 電機，在相同的機械功率下體積更小、效率更高。5這些效率更高、性能更高的電機需要更復(fù)雜的電子設(shè)備才能運行。用于變速驅(qū)動器 (VSD) 或變頻驅(qū)動器的脈寬調(diào)制技術(shù)通過整流交流電源為電機創(chuàng)建脈沖三相電壓。這會提高性能，可以控制速度和扭矩，并對系統(tǒng)的機械設(shè)計產(chǎn)生積極影響。在高壓電網(wǎng)側(cè)實施有源功率因數(shù)校正(PFC)，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，這正在成為政府制定的更嚴格的法規(guī)(例如，行業(yè)標準IEC61000)。

硅 IGBT 很慢

幾十年來，VSD 一直使用IGBT作為他們的主要電源開關(guān)。這些傳統(tǒng)的硅晶體管堅固耐用且具有成本效益，但開關(guān)速度較慢且損耗相對較高，因此還有改進的空間。對于許多消費類應(yīng)用，尤其是那些預(yù)期在室內(nèi)運行的應(yīng)用，需要高于 16 kHz 的開關(guān)頻率來降低可聽噪聲。由于其緩慢的反向恢復(fù)特性，這些更高的頻率對 IGBT 具有挑戰(zhàn)性，從而導(dǎo)致高開關(guān)損耗。硅 MOSFET 也已用于 VSD，但實現(xiàn)的功率密度低于 IGBT，盡管在滿載條件下開關(guān)損耗可以更低。MOSFET 的內(nèi)部體二極管恢復(fù)損耗也很差，這會增加總損耗。即使是專門設(shè)計的帶有快速恢復(fù)二極管的 MOSFET，通常也比 IGBT 產(chǎn)品中的快速恢復(fù)二極管更慢、更靈敏。在輕負載運行中，由于其線性電流-電壓關(guān)系，MOSFET 確實顯示出優(yōu)于 IGBT 的優(yōu)勢。

GaN 在電機驅(qū)動中的優(yōu)勢

通過在功率級中使用氮化鎵，可以在逆變器和電機以及整個系統(tǒng)中實現(xiàn)效率的下一個重要步驟?；?GaN 的器件更接近理想開關(guān)，提供顯著降低的開關(guān)損耗并帶來許多不同的好處。

在大多數(shù)情況下，VSD 的效率相對較高，通常為 95% 到 97%，這比電機或被驅(qū)動的機械過程要高得多。老式電機的效率為 60%，而更現(xiàn)代的 BLDC 電機的工作效率為 80% 或更高。由于開關(guān)損耗非常低，這些效率更高的 VSD 系統(tǒng)可提供更好的電氣效率，從而降低系統(tǒng)成本，因為可以顯著減少甚至去除從電源開關(guān)中散熱所需的散熱器。在 VSD 的典型硬開關(guān)半橋中，具有零反向恢復(fù)損耗的 GaN IC 的較低開關(guān)損耗可以比 IGBT 或 MOSFET 低 4 至 5 倍，從而將總功率損耗降低50%。在低功率應(yīng)用中，這甚至可能意味著完全移除散熱器。散熱器級機加工鋁的價格為每公斤 6 至 8 美元——并在 2021 年達到 13 年來的最高水平——這對系統(tǒng)的成本影響很大。此外，減輕重量可降低運輸成本，進一步降低總擁有成本。

硅 IGBT 和 MOSFET 表現(xiàn)出一種稱為反向恢復(fù)的現(xiàn)象，即它們的 pn 結(jié)在導(dǎo)通狀態(tài)下充滿電，而在關(guān)斷狀態(tài)下被掃出。恢復(fù)時間、恢復(fù)電荷和恢復(fù)電流都會影響反向恢復(fù)特性和開關(guān)損耗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)在開關(guān)狀態(tài)下出現(xiàn)不受控制的振鈴和電壓過沖和下沖。這同樣適用于級聯(lián) GaN 器件，因為附加的硅 MOSFET 與常開 GaN FET 相結(jié)合。

Navitas GaNFast IC 將驅(qū)動器與增強型 FET 集成在一起，其中二維電子氣密度產(chǎn)生電子遷移率。由于沒有有源 pn 結(jié)，因此不存在固有的體二極管，從而導(dǎo)致器件中沒有反向恢復(fù)電荷。這顯著降低了開關(guān)損耗，并在開關(guān)事件期間提供更平滑的電壓波形，同時具有最小的振鈴，從而提高性能和系統(tǒng)可靠性并降低系統(tǒng)成本。

由于沒有恢復(fù)電荷，GaNFast IC 成為硬開關(guān)設(shè)計的理想選擇，例如半橋拓撲，其中在高側(cè)和低側(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)換期間發(fā)生最低開關(guān)損耗。兩個開關(guān)之間所需的死區(qū)時間可以顯著縮短，從大約 2,000 ns 降至 50 ns。對于電機驅(qū)動應(yīng)用，這會顯著降低轉(zhuǎn)矩脈動和可聽噪聲，從而提高系統(tǒng)的使用壽命。