如何集成GaN功率级以实现高效的电池供电BLDC电机推进系统

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电池供电的应用，如协作（机器人）(cobot)、电动自行车、（工业）（无人机）和电动工具等，都需要体积小、重量轻、功能强大的（电机）。无刷直流(（BLDC）)电机是一个不错的选择，但电机驱动（电子）元件相当复杂，有许多设计考虑因素。设计人员必须精密调节转矩、速度和位置，同时还要确保高精度，并将振动、噪声和电磁辐射(EMR)降到最低。此外，还必须避免使用笨重的散热器和外部线束，以节省重量、空间和成本。

设计人员常常面临的挑战是，在设计要求与时间和预算压力之间做出平衡，同时避免出现代价高昂的开发错误。为了应对这种挑战，设计人员可以利用（氮化镓）(GaN)等快速、低损耗（半导体）技术，以提供驱动BLDC电机所需的功率级。

本文讨论了基于GaN的功率级的相对优势，并介绍了[EPC]的一款以半桥拓扑结构实现的样本器件。文中还说明了如何使用相关开发套件来快速启动项目。在此过程中，设计人员将了解到如何利用[（Microchip）（Te）chnology]的[motorBench开发套件]，以最小的（编程）工作量测量BLDC电机的参数，并在无传感器磁场定向控制(FOC)模式下操作电机。

GaN的优势

为了高效控制电池应用中的BLDC电机，开发人员需要一种高能效、轻量化、外形尺寸较小的驱动级，可以放在尽可能靠近致动器的地方，例如放在电机外壳内。

绝缘栅双极型（晶体管）(（IGBT）)稳固耐用，可以在最大200kHz的频率下切换高达100MW的高功率，但不适合必须在高达80V电压下对电池充电进行管理的设备。高接触电阻、续流（二极管）和开关损耗，以及关断期间的（电流）拖尾，所有这些因素的组合会导致（信号）失真、发热过多和杂散辐射。

与IGBT相比，金属氧化物半导体场效应晶体管(（MOSFET）)开关速度更快，开关损耗和电阻损耗更低，但其栅极（电容）需要强大的栅极驱动器才能在高开关频率下工作。能够在高频率下工作很重要，因为这意味着设计人员可以使用更小的（电子元器件），从而减少整体空间需求。

GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)具有高载流子迁移率，能够以极快的速度和低损耗建立和击穿半导体结。集成GaN驱动器（如EPC的[EPC23102ENGRT]）开关损耗极低，开关频率则很高，支持实现紧凑的器件设计，适合极为狭小的空间。这款单片（芯片）包含一个带有电平位移器的输入逻辑接口、自举加载电路和栅极（驱动电路），以半桥拓扑结构控制GaN输出FET（图1）。（芯片封装）经过优化，具有高散热性能和低寄生电感。

图1：EPC23102包含控制逻辑、电平位移器、栅极驱动器和半桥拓扑结构的GaN输出FET（左）。芯片封装（右）经过优化，具有高散热性能和低寄生电感。（图片来源：EPC）

更少的废热和更低的EMR

EPC23102输出晶体管的典型漏源导通电阻(RDS(on))为5.2mΩ（25°C时）。该晶体管可处理高达100V的电压和最大35A的电流。此外，GaN器件的横向结构和无本征体二极管特性，使得栅极电荷(QG)和反向恢复电荷(QRR)特别低。

与具有类似RDS(on)的MOSFET器件相比，GaN驱动器的开关损耗最多可降至前者的五分之一。因此，基于GaN的逆变器可以在相对较高的脉冲宽度调制(PWM)频率（最高可达3MHz）和较短的空载时间（小于50ns）下运行。

GaN半导体的开关速度(dV/dt)高、温度系数低且采用更小寄生电感的封装设计，最大程度减少了信号失真，进而最大程度减少了EMR和开关损耗。这样就降低了对滤波策略的需求，而较小的低成本（电容器）和（电感器）则能节省电路板空间。

除了低接触电阻RDS(on)外，GaN器件还有其他优势，例如GaN基底具有高导热率、器件封装具有很大的热接触面积，所有这些优势使得GaN功率级能够在没有散热器的情况下切换高达15A的电流（图2）。

图2：GaN功率级在25.5°C环境温度和不同PWM频率下的温升与相电流的关系。（图片来源：EPC）

EPC23102还具有将电压从低压侧转换到（高压）侧通道的稳健电平转换器，这些转换器设计用于在软切换和硬切换情况下工作，甚至可在高负端电压下工作，并避免快速dV/dt瞬变（包括来自外部源或相邻相位的瞬变）造成误触发。内部电路集成了逻辑和自举（电源）充电及禁用功能。当供电电压过低甚至失效时，保护功能可防止输出FET意外导通。

即用型电机逆变器评估套件

要调试采用GaN技术的三相BLDC电机，最简单、最快捷的方法是使用EPC的[EPC9176KIT]电机逆变器评估套件。该套件由EPC9176电机逆变器板和（DSP）控制器板组成，还包括一个简易的EPC9147E控制器插件适配器，用于通过客户特定的主机控制器进行控制。（耦合）连接器传输以下信号：3×PWM、2×（编码器）、3×Uphase、3×Iphase、U（DC）、IDC和2×状态LED。

EPC9176电机逆变器板是[参考设计]，为公司内部（电路设计）提供了便利，而EPC9147A控制器板与MicrochipTechnology的motorBench开发环境一起使用时，用户无需花时间编码或编程就能快速启动并运行应用。

该三相BLDC电机逆变器集成了三个EPC23102GaN半桥驱动器，以控制交流或直流电机和（DC/DC）电源转换器。最大RDS(on)为6.6mΩ，在高达28A峰值(Apk)或20Arms(ARMS)的负载电流和高达100V的开关电压下持续工作时，功率级造成的热损耗非常小。配置为多相DC/DC转换时，EPC23102支持高达500kHz的PWM开关频率；对于电机驱动应用，开关频率最高可达250kHz。

尺寸为8.1×7.5cm的EPC9176电机逆变器板包含支持完整电机逆变器所需的所有关键功能电路，包括直流总线电容器、栅极驱动器、稳定辅助电压、相电压、相电流和温度测量，以及针对每相的保护功能和可选的谐波或EMR（滤波器）（图3）。

图3：EPC9176电机逆变器具有直流总线电容器、栅极驱动器、稳压器、电压（检测）功能、电流和温度保护功能以及EMR滤波器。（图片来源：EPC）

该三相GaN逆变器在14至65VDC的输入电压下工作，切换时不会过冲，因此转矩平稳，运行噪声极小。该板针对低于10V/ns的GaN典型高速开关斜坡进行了优化，并且可以选择降低此开关斜坡以操作DC/DC转换器。此外，还可以连接两个以不同电平工作的转子位置（传感器）（霍尔传感器）。

无振动的转矩和低运行噪声

下面通过三相BLDC电机的一个实施实例展示空载时间参数化对电机平稳运行和由此产生的噪声的影响。对于基于GaNFET的半桥，其高压侧和低压侧FET的开关转换锁定时间可以选择为非常短，因为GaNHEMT的响应速度极快，不像较慢的MOSFET那样会产生寄生过冲。

图4（左）显示了一款GaN逆变器以500ns的MOSFET典型空载时间和40kHz的PWM频率工作。本应是平稳的正弦相电流却显示出极高的失真，导致转矩纹波和相应的噪声非常高。在图4（右）中，空载时间降至50ns，所得到的正弦相电流使电机平稳运行，噪声非常小。

图4：500ns的空载时间和40kHz的PWM频率（左）（MOSFET的典型情况）造成相电流发生高失真，导致高转矩纹波和高噪声级。当空载时间为50ns时（右），得到一个正弦相电流，使得电机以低噪声平稳运转。（图片来源：EPC）

更小的相电流纹波还意味着定子线圈的磁化损耗更低，而相电压纹波越小，则分辨率越高，对转矩和速度的控制就越精确，对于小型设计中使用的低电感电机更是如此。

对于需要更大功率的电机驱动应用，有两款GaN逆变器板可供选择：[EPC9167HCKIT](1kW)和[EPC9167KIT](500W)。两者均使用[EPC2065]GaNFET，其最大RDS(on)为3.6mΩ，最大器件电压为80V。EPC9167板在每个开关位置使用一个FET，而EPC9167HC有两个FET并行工作，提供最大42Apk(30ARMS)的输出电流。EPC2065GaNFET在（电机控制）应用中支持高达250kHz的PWM开关频率，在DC/DC转换器中支持最高500kHz的开关频率。

[EPC9173KIT]中的逆变器板可提供更高的功率—最高1.5kW。该板构成两个单通道[EPC23101ENGRT]GaN栅极驱动器IC（只有一个集成高压侧功率FET）的半桥分支。该板可扩展为降压、升压、半桥、全桥或LLC转换器。在有适当散热措施的情况下，它可提供高达50Apk(35ARMS)的输出电流，能以高达250kHz的PWM开关频率工作。

几分钟内启动并运行驱动级

不必编程就能评估EPC9176GaN逆变器板的最快速方法是使用[EPC9147A]控制器接口板。插件模块(（PI）M)[MA330031-2]包含MicrochipTechnology的16位DSP[dsPIC33EP256MC506-I-PT]（图5）。

图5：EPC9147A通用控制器接口卡支持各种插件模块，如基于16位dsPIC33EP256DSP的MA330031-2PIM。（图片来源：EPC/MicrochipTechnology）

为了方便操作DSP控制器接口，设计人员可以使用motorBench开发套件，并且须为其添加：

[（MPLAB）XIDE_V5.45]和（推荐）更新[代码配置器插件][（DSP特定的编译）][motorBench插件2.35]（电机示例）本讨论中的示例使用[EPC9146]GaN电机逆变器板，因此：

从针对EPC914xKIT的MCLV-2或EPC项目开始，其名称为“sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X”用户可以简单选择EPC9146GaN电机逆变器板的样本十六进制文件，并使用编程适配器（如MicrochipTechnology用于16位微控制器的[PG164100]）将其烧写到DSPdsPIC33EP256MC506。然后便可通过控件手动控制所连接的BLDC电机(Teknic_M-3411P-LN-08D)，并在无传感器FOC模式下运行。

如果电机运行不理想或需要配置成其他工作状态，motorBench还提供了一个可配置的样本文件，烧写该文件之前须进行编译。如上所述，GaN（电机驱动器）的一个基本但重要的参数是空载时间，须为50ns或更小，在编译hex文件之前务必检查此参数。

BLDC电机的自定义参数

要利用motorBenchIDE定制BLDC电机配置以实现无传感器FOC工作，用户可以测量其电机的参数，并在配置文件中输入相关的值。例如，[ISLProductsInterna（ti）onal]的[MOT-I-81542-A]电机可以作为这里的测试电机。该电机在24V电压下以6100rpm的转速运行时，功耗约为361W。

首先必须确定以下四个电机参数：

欧姆电阻：用（万用表）在定子线圈端子之间测量电感：用万用表在定子线圈端子之间测量极对：要确定极对，设计人员必须将两相短路，让第三相开路，然后手动计算轴转一圈的闩锁数量，再将结果除以2反电动势(BEMF)：用（示波器）在定子线圈端子之间测量。为此，设计人员必须：将探头夹在两条相线上，第三条相线断开用手转动电机轴，并记录电压响应测量最大正弦半波的峰间电压App和周期Thalf（图6）。图6：通过测量最大正弦半波的峰间电压App和周期Thalf来确定BEMF。（图片来源：EPC）

参考上述项目示例，Microchip为TeknicM-3411P-LN-08D电机（8.4ARMS、八极、转矩=1Nm、额定功率为244W）确定了以下参数：

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