與開(kāi)關(guān)模式電源不同，三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器通常使用低開(kāi)關(guān)頻率；只有幾萬(wàn)赫茲。大功率電機(jī)尺寸較大，具有高電感繞組；因此，即使在低開(kāi)關(guān)頻率下，電流紋波也是可以接受的。隨著電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，功率密度增加；電機(jī)的外形尺寸變小，速度更快，需要更高的電頻率。

具有低定子電感的低壓無(wú)刷直流或交流感應(yīng)電機(jī)越來(lái)越多地或?qū)ｉT(mén)用于伺服驅(qū)動(dòng)、CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）機(jī)器、機(jī)器人和公用無(wú)人機(jī)等精密應(yīng)用中。為了將電流紋波保持在合理范圍內(nèi)，這些電機(jī)——由于其低電感——要求高達(dá)100kHz的開(kāi)關(guān)頻率；相電流紋波與PWM（脈沖寬度調(diào)制）開(kāi)關(guān)頻率成反比，并轉(zhuǎn)換為機(jī)械中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)，降低驅(qū)動(dòng)精度和效率。

那么工程師為什么不增加開(kāi)關(guān)頻率呢？正如工程中的一貫原則，這是一種折衷的做法。逆變器的功率損耗主要包括傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。您可以通過(guò)減小開(kāi)關(guān)元件（通常為MOSFET）的尺寸來(lái)降低給定工作頻率下的開(kāi)關(guān)損耗，但這會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗增加。

在理想設(shè)計(jì)中，最高可實(shí)現(xiàn)效率受到半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的技術(shù)的限制。使用傳統(tǒng)的基于低壓48V硅MOSFET的逆變器，40kHz PWM下的開(kāi)關(guān)損耗可能已明顯高于傳導(dǎo)損耗，從而構(gòu)成了整體功率損耗的絕大部分。為了耗散多余的熱量，需要更大的散熱器。不幸的是，這增加了系統(tǒng)成本、重量和解決方案總尺寸，這在空間受限的應(yīng)用中是不期望的或不可接受的。

氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）具有優(yōu)于硅MOSFET的多種優(yōu)勢(shì)，開(kāi)辟了新的可能性。GaN晶體管可以實(shí)現(xiàn)高得多的dV/dt壓擺率，因此可以比硅MOSFET更快地切換，從而顯著降低開(kāi)關(guān)損耗。GaN晶體管的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是沒(méi)有反向恢復(fù)電荷，傳統(tǒng)硅MOSFET設(shè)計(jì)的反向恢復(fù)電荷會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴。表1比較了硅FET和GaN FET。

參數(shù)

Si-FET

TI的GaN (HEMT)

備注

元件結(jié)構(gòu)

豎向

橫向

具體 RDS(ON), 面積

>10mW-cm2

5-8mW-cm2

更低的傳導(dǎo)損耗。

柵極電荷QG

~4nC-W

~1-1.5nC-W

降低柵極驅(qū)動(dòng)器損耗，實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度，降低開(kāi)關(guān)損耗和死區(qū)失真。

輸出電荷QOSS

~25nC-W

~5nC-W

更低的輸出電容可實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度并減少開(kāi)關(guān)充電損耗

反向恢復(fù)QRR

~2-15mC-W

無(wú)

零反向恢復(fù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的半橋逆變器，并減少/消除硬開(kāi)關(guān)中的振鈴。

表1：硅功率MOSFET和TI的GaN FET（HEMT）對(duì)比

如果用新的GaN FET完全替換現(xiàn)有的硅MOSFET，就享受帶來(lái)的益處，世界會(huì)變得輕松簡(jiǎn)單。例如，在柵極驅(qū)動(dòng)電路和印刷電路板（PCB）布局中實(shí)現(xiàn)高壓擺率具有獨(dú)特的挑戰(zhàn)性。如果處理不當(dāng)，更高的dV/dt意味著增加電磁干擾（EMI）。通道之間的傳播延遲失配將限制最佳可實(shí)現(xiàn)的死區(qū)時(shí)間，從而妨礙GaN FET實(shí)現(xiàn)其最佳性能。

TI的LMG5200 GaN功率級(jí)通過(guò)將兩個(gè)80V/10A 18-mΩGaN FET與柵極驅(qū)動(dòng)器集成在相同的無(wú)鍵合6mm x 8mm四方扁平無(wú)引腳（QFN）封裝中，克服了這些困難。封裝引腳設(shè)計(jì)為低功耗回路阻抗，PCB布局簡(jiǎn)單。輸入為5V TTL和3.3V CMOS邏輯兼容，并具有2ns的典型傳播延遲失配。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)非常短的死區(qū)時(shí)間，減少了損耗和輸出電流失真。

用于高速驅(qū)動(dòng)的TI設(shè)計(jì)48V / 10A高頻PWM 3相GaN逆變器參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有三個(gè)LMG5200 半橋GaN功率模塊的B6逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖1為簡(jiǎn)化框圖。本參考設(shè)計(jì)提供了一個(gè)TI BoosterPack™模塊兼容接口，用于連接到C2000™微控制器（MCU）LaunchPad™套件，以便進(jìn)行性能評(píng)估。

圖1：高頻三相GaN逆變器參考設(shè)計(jì)

了解了這么多的理論，您是否對(duì)在實(shí)踐中能實(shí)現(xiàn)多快的切換感到好奇呢？圖2顯示了壓擺率約為40V/ns的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。盡管切換速度超快，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)過(guò)沖小于10V。與傳統(tǒng)的硅FET設(shè)計(jì)不同，這需要在FET的VDS擊穿電壓和允許的最大Vbus電源電壓之間有較小的裕量。