電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）在智能化時代，電機(jī)應(yīng)用需求走向高效率、高功率密度、快動態(tài)響應(yīng)。而GaN功率芯片具備低開關(guān)損耗、高頻等特性，在電機(jī)應(yīng)用中，低開關(guān)損耗的功率芯片能夠提高系統(tǒng)效率；高頻特性可以使得電機(jī)驅(qū)動電路使用體積更小的無源器件，讓整體系統(tǒng)功率密度得到提升。

根據(jù)TI的白皮書，GaN FET的損耗相比硅基IGBT和MOSFET更低，原因包括：

lGaN 提供零反向恢復(fù)。通過零反向恢復(fù)，可以非常高的電流壓擺率 (di/dt) 和電壓壓擺率 (dv/dt) 切換 GaN FET。在 MOSFET 中，體二極管會出現(xiàn)較高的零反向恢復(fù)，從而限制開關(guān) di/dt 和 dv/dt，并導(dǎo)致額外的損耗和相位節(jié)點電壓振鈴。對于 IGBT，即使添加經(jīng)過優(yōu)化的反向并聯(lián)二極管，仍然會帶來與反向恢復(fù)相關(guān)的難題。

l關(guān)閉時，IGBT 會受到少數(shù)載流子復(fù)合電流（通常稱為尾電流）的影響，該電流會增加關(guān)斷損耗。GaN 沒有任何尾電流。與 IGBT 和 MOSFET 相比，GaN 的電容更低，因此電容開關(guān)損耗更低。

l受控和更快的 di/dt 和受控 dv/dt 有助于優(yōu)化開關(guān)期間的電壓-電流重疊損耗。

在電機(jī)應(yīng)用中，以吹風(fēng)機(jī)、水泵等應(yīng)用的高速電機(jī)為例，通常這些應(yīng)用中用到的永磁同步電機(jī)需要高PWM頻率，以減少電流紋波并實現(xiàn)出色的電機(jī)性能。電機(jī)繞組中較高的電流紋波會導(dǎo)致不必要的扭矩紋波，增加銅和磁芯損耗，并導(dǎo)致開關(guān)期間檢測到的平均電機(jī)電流不準(zhǔn)確。

基于 MOSFET 或 IGBT 的 IPM 的額定使用頻率通常為 20kHz；但是，由于開關(guān)損耗較高，它們通常用于較低的開關(guān)頻率（6kHz 至 16kHz）。由于 GaN 即使在較低的 dv/dt 下也能提供低得多的開關(guān)損耗，因此能夠以高得多的頻率進(jìn)行開關(guān)以提高電機(jī)效率和性能。

比如TI DRV7308件集成了針對所有 GaN FET 且具有相位節(jié)點電壓壓擺率控制功能的前置
驅(qū)動器。DRV7308 有助于在 Quad Flat No-lead (QFN) 12mm x 12mm 封裝內(nèi)的三相調(diào)制、場定向控制驅(qū)動的 250W 電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中實現(xiàn)超過 99% 的逆變器效率，無需散熱器。

最近英諾賽科也推出了兩款高性能低壓電機(jī)驅(qū)動方案，面向機(jī)器人、無人機(jī)、電動工具等低壓電機(jī)應(yīng)用。兩款方案均采用48V–60V輸入，支持持續(xù)輸出相電流峰值達(dá)25A/22A，完美適配1kW級別的電機(jī)驅(qū)動需求。

其中INNDMD48V25A1 (分立方案)：采用 6顆INN100EA035A分立器件+3顆INS2003FQ專用驅(qū)動IC，更好地發(fā)揮了分立方案靈活性。INNDMD48V22A1(集成方案)：采用3顆ISG3204LA半橋合封GaN（內(nèi)置驅(qū)動），集成度高，布局更簡潔。

根據(jù)測試，在40kHz開關(guān)頻率、20A相電流條件下：分立方案 (INN100EA035A) 總損耗為11.6W，對標(biāo)的Si方案為19W，降幅達(dá)39%；合封方案 (ISG3204LA) 總損耗為12.3W，對標(biāo)的Si方案為16.3W，降幅達(dá)24.5%。

在高頻性能上，當(dāng)開關(guān)頻率從20kHz提升至40kHz：INS2003FQ+INN100EA035A分立器件方案中的GaN系統(tǒng)損耗僅增加0.7W，而Si方案增加了4.1W，GaN損耗增量降低83%；頻率提升帶來的溫升僅10℃，為系統(tǒng)繼續(xù)提升頻率、縮小電感與電容體積預(yù)留了空間。

同時在在相同散熱條件下，GaN器件溫度比Si方案低23℃以上；在18A以下相電流時，合封GaN方案可無需散熱器，極大減小系統(tǒng)體積。

該方案也能有效提高功率密度，其中分立GaN方案最大輸出電流有效值比Si方案提升3.5A。在相同溫升條件下，可支持更高負(fù)載電流，輕松實現(xiàn)更高功率密度。

小結(jié)：

GaN 芯片通過“低損耗、高功率密度、耐嚴(yán)苛環(huán)境、快響應(yīng)”四大核心優(yōu)勢，不僅解決了傳統(tǒng)硅基電機(jī)驅(qū)動在效率、體積、精度上的瓶頸，還為電機(jī)驅(qū)動的“節(jié)能化、小型化、精密化”提供了關(guān)鍵支撐，是未來中低壓電機(jī)驅(qū)動的核心發(fā)展方向。