機(jī)器人在不同的市場領(lǐng)域中都有著廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)出多種形式，其中包括服務(wù)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人（cobot）、工業(yè)機(jī)器人 、自動駕駛無人機(jī) 和自動導(dǎo)引車輛等。對于一個成功的機(jī)器人應(yīng)用，其關(guān)鍵因素之一是確保最佳馬達(dá)驅(qū)動設(shè)計。基于硅器件的馬達(dá)驅(qū)動器需要在效率和尺寸之間進(jìn)行折衷，例如，以較高的開關(guān)頻率運行雖然能夠采用較小的無源元件，但由于具有相當(dāng)大的開關(guān)損耗而導(dǎo)致很多散熱。用氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）代替硅開關(guān)可以避免這些性能折衷。本文將探討這種推測是否真的適合基于GaN器件的馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)。
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基于GaN的馬達(dá)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)與設(shè)計

圖1所示為100 V 基于GaN器件的馬達(dá)驅(qū)動器的頂層框圖，該設(shè)計以半橋電路為中心，采用兩個100 V、3 mΩ的CoolGaNTM SG HEMT，每個HEMT在封裝頂部都有一個裸露的管芯，因而能夠?qū)崿F(xiàn)雙面冷卻。半橋電路具有最小的環(huán)路電感（400pH），這使得能夠在1ns范圍內(nèi)實現(xiàn)非?？斓碾妷恨D(zhuǎn)換，而不會超過峰值漏極電壓額定值。
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圖1：基于CoolGaN? SG HEMT 100 V馬達(dá)驅(qū)動。

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為此設(shè)計選擇的柵極驅(qū)動器是1EDN7126G，它是1EDN 71x6G EiceDRIVER? 柵極驅(qū)動器系列的一個成員，專門設(shè)計用于與GaN開關(guān)以及邏輯電平MOSFET一起使用。從0.5A（1EDN7146G）到2A（1DEN7116G）的多種不同拉/灌（source/sink）電流強(qiáng)度可提供開關(guān)速度的靈活性。同時，與具有獨立柵極電阻器的設(shè)計相比，布局復(fù)雜度和環(huán)路電感都有所降低。
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“真差分輸入”（TDI）是該柵極驅(qū)動器系列的一個特點，即便在快速開關(guān)瞬態(tài)期間也能保證穩(wěn)定運行。它能夠為高壓側(cè)開關(guān)提供共模電壓抑制，也能為低壓側(cè)提供抗接地反彈干擾能力。此外，1EDN71x6G系列在輸出級還具備有源米勒箝位（Miller clamp），在柵極電壓降至低于0.4V后不到3ns內(nèi)，該箝位可將其下拉（pull-down）強(qiáng)度增加到5A。這允許改變GaN HEMT的關(guān)斷速度，而不會增加其對感應(yīng)導(dǎo)通敏感性的抗擾度。0.3Ω的低下拉電阻意味著一旦驅(qū)動器鎖存，即便處在高速開關(guān)事件期間，柵極電壓也能安全地保持在0V。
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三個半橋電路包括單獨的溫度和相內(nèi)（in-phase）電流感測。電路板的兩側(cè)都使用了薄型100 V陶瓷，以確?？傊绷麈溌?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電容/" target="_blank">電容超過80μF。高開關(guān)頻率降低了這些電容器上的紋波電流，可以不再使用大型電解電容器。
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該設(shè)計使用48V至5V降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器來向低側(cè)柵極驅(qū)動器提供穩(wěn)壓電源電壓，1EDN71x6G EiceDRIVERTM的主動自舉箝位功能用于為高側(cè)柵極驅(qū)動器供電。
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相對于傳統(tǒng)的低側(cè)電流測量，同相電流感測更具有優(yōu)勢，因為它能夠優(yōu)化高頻功率環(huán)路電感，并充分利用CoolGaN HEMT提供的較快開關(guān)速度。隔離式同相電流傳感器比差分電流放大器具有更好的電壓瞬態(tài)抗擾性。通過采用基于單片霍爾技術(shù)的無磁芯設(shè)計，XENSIV? TLI4971滿能夠滿足這些要求，提供非常線性的輸出，可配置的傳感范圍從±25到±120A，240 kHz的帶寬能夠滿足苛刻的磁場定向控制（FOC）應(yīng)用要求。
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XMC4400驅(qū)動卡可提供無傳感器磁場定向控制，最大開關(guān)頻率為100 kHz，控制回路更新為20 kHz。若將控制頻率提高到與開關(guān)頻率相同，則能夠在需要快速動態(tài)控制響應(yīng)的應(yīng)用中支持甚至更高的控制帶寬。
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馬達(dá)驅(qū)動設(shè)計的俯視圖、側(cè)視圖和仰視圖如圖2所示。整個馬達(dá)驅(qū)動的所有組件，包括直流鏈路電容、電流傳感器、輔助電源和方便的測試點，都位于一個只有56 mm x 40 mm的矩形區(qū)域內(nèi)，電路板的厚度只有3.7mm。因此，該解決方案的總體積為8.3 cm3，這意味著在需要1kW功率處理能力的應(yīng)用中，該馬達(dá)驅(qū)動器的功率密度為120W/cm3或2kW/in3。

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圖2：CoolGaN? 馬達(dá)驅(qū)動的俯視圖、側(cè)視圖和剖面圖。

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限制馬達(dá)電壓變化率的兩個因素是繞組絕緣損壞和軸承磨損。繞組絕緣對于48V馬達(dá)（通常具有更高電壓等級的絕緣額定值）來說不是一個大問題，但軸承磨損可能是一些48V馬達(dá)的重要關(guān)注因素，因此，出于這些原因，馬達(dá)驅(qū)動器的開關(guān)速度有時會受到限制。然而，將驅(qū)動器連接到馬達(dá)的電纜會顯著影響馬達(dá)側(cè)的有效dV/dt，如圖3所示。在本文中，馬達(dá)處的dV/dt比在CoolGaN馬達(dá)驅(qū)動器上看到的大約低一個數(shù)量級。此外，在確定軸承壽命時，必須考慮特定應(yīng)用因素，如機(jī)械載荷、標(biāo)稱轉(zhuǎn)速（RPM）和溫度等。
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圖3：比較開關(guān)波形，包括直接在具有緊密探測回路的開關(guān)節(jié)點處，在略微延伸的探測回路的螺釘端子處，以及直接在使用光學(xué)隔離差分探頭測量的兩相之間馬達(dá)端子處。

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更高開關(guān)頻率實現(xiàn)更高系統(tǒng)效率

系統(tǒng)設(shè)計師在選擇開關(guān)頻率時，CoolGaN?高速開關(guān)器件能夠提供更多的選擇，能夠使設(shè)計師綜合考慮端到端效率和解決方案總體尺寸，而不是只關(guān)注逆變器效率。
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這種基于CoolGaN?的馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)效率的測量，是在20、60和100 kHz開關(guān)頻率下，結(jié)合市售的低電感（20μH相到相）高極數(shù)（high pole-count）（14P）無人機(jī)馬達(dá)來完成。使用萬用表測量逆變器的直流電輸入功率，使用測力計測量馬達(dá)的機(jī)械輸出功率。為了進(jìn)行比較，圖4顯示了20 kHz和100 kHz下以100W和500W運行時的相電流波形。較高的開關(guān)頻率致使電流紋波、均方根電流和發(fā)熱顯著降低。在100W時，RMS電流從5.6A降低到4.5A（降低20%）；在500W時，它從26.2A降低到23.1A（降低12%）。

圖4：100W（左）和500W（右）運行時的相電流波形。

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雖然在輕負(fù)載下，較高開關(guān)頻率使RMS相電流的相對降低比較明顯，但在整個負(fù)載范圍內(nèi)，繞組溫度方面的益處更大。在500W機(jī)械輸出功率下，繞組溫度從20 kHz時的110℃降至100 kHz時的約80℃（參見圖5）。這對于協(xié)同機(jī)器人等需要控制散熱的應(yīng)用非常重要。
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圖5：20、60和100 kHz運行時的馬達(dá)繞組溫度。

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馬達(dá)中較低的紋波電流降低了繞組和磁芯的損耗，從而降低了馬達(dá)溫度。然而，開關(guān)損耗卻與開關(guān)頻率成比例，從而可提高逆變器的功率損耗和溫度。在傳統(tǒng)的基于MOSFET或IGBT的設(shè)計中，由于開關(guān)損耗較高，這個問題是一個負(fù)面因素，但由于CoolGaN?HEMT具備極低的開關(guān)損耗，端到端效率隨著開關(guān)頻率的提高而改善，如圖6所示。
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圖6：20和60 kH的端到端效率。

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總結(jié)

本文介紹了選擇無傳感器FOC方案用于48V系統(tǒng)的基于GaN馬達(dá)驅(qū)動器設(shè)計。
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設(shè)計評估表明，GaN器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)頻率，而不會降低系統(tǒng)效率或給熱管理帶來更多限制。采用更高的開關(guān)頻率導(dǎo)致更低的馬達(dá)溫度、更高的端到端系統(tǒng)效率、以及更高的功率密度。這種方案具備的較小外形尺寸意味著馬達(dá)驅(qū)動器可以嵌入到馬達(dá)底盤附近（例如機(jī)器人手臂內(nèi)部），從而減輕長連接器電纜引起的EMI。
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