與開關(guān)電源不同，三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器通常采用低開關(guān)頻率；只有幾萬赫茲。大功率電機(jī)體積大，繞組電感高。因此，即使在低開關(guān)頻率下，電流紋波也是可以接受的。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，功率密度增加。這種電機(jī)體積小，速度快，需要更高的電氣頻率。

低定子電感的低壓無刷DC或交流感應(yīng)電機(jī)越來越多地或?qū)ｉT用于精密應(yīng)用，如伺服驅(qū)動(dòng)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和公共無人機(jī)。為了將電流紋波保持在合理的范圍內(nèi)，這些電機(jī)——由于其低電感——，需要高達(dá)100kHz的開關(guān)頻率；相電流紋波與PWM(脈寬調(diào)制)開關(guān)頻率成反比，在機(jī)械中轉(zhuǎn)化為轉(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提高開關(guān)頻率呢？一如工程上一貫的原則，這是一種妥協(xié)。逆變器的功率損耗主要包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。您可以通過減小開關(guān)元件(通常是MOSFET)的尺寸來降低給定工作頻率下的開關(guān)損耗，但這將導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗的增加。

在理想的設(shè)計(jì)中，可達(dá)到的最高效率受到半導(dǎo)體開關(guān)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下的開關(guān)損耗可能已經(jīng)明顯高于導(dǎo)通損耗，而導(dǎo)通損耗構(gòu)成了總功率損耗的絕大部分。為了散發(fā)多余的熱量，需要一個(gè)更大的散熱器。不幸的是，這增加了系統(tǒng)成本、重量和整體解決方案尺寸，這在空間受限的應(yīng)用中是不希望的或不可接受的。

氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)比硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管有許多優(yōu)勢(shì)，這開辟了新的可能性。氮化鎵晶體管可以實(shí)現(xiàn)更高的dV/dt壓擺率，因此它可以比硅MOSFET開關(guān)更快，從而顯著降低開關(guān)損耗。氮化鎵晶體管的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是沒有反向恢復(fù)電荷，這將導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴。表1比較了硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管和氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

參數(shù)

硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管

鈦的甘(HEMT)

注意

元素結(jié)構(gòu)

垂直的

成十字形地

特定無線電數(shù)據(jù)系統(tǒng)(開)，區(qū)域

10mW-cm2

5-8mW-cm2

傳導(dǎo)損耗更低。

大門收費(fèi)QG

~4nC-W

~1-1.5nC-W

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

輸出電荷QOSS

~25nC-W

~5nC-W

較低的輸出電容可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度并減少開關(guān)電荷損失

反向恢復(fù)QRR

~2-15mC-W

沒有

零反向恢復(fù)可以實(shí)現(xiàn)高效的半橋逆變器，減少/消除硬開關(guān)中的振鈴。

表1:硅功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管和鈦氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的比較(HEMT)

如果用新的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管完全取代現(xiàn)有的硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管，好處就會(huì)得到享受，世界就會(huì)變得越來越簡(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)高轉(zhuǎn)換速率具有獨(dú)特的挑戰(zhàn)。如果處理不當(dāng)，更高的dV/dt意味著電磁干擾(EMI)增加。通道間傳播延遲的不匹配將限制可達(dá)到的最佳死區(qū)時(shí)間，從而阻止氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)現(xiàn)其最佳性能。

TI的LMG5200GaN功率級(jí)克服了這些困難，將兩個(gè)80v/10a18-m gan場(chǎng)效應(yīng)晶體管與柵極驅(qū)動(dòng)器集成在同一個(gè)未粘合的6mm x 8mm四方扁平無引腳(QFN)封裝中。封裝引腳采用低功率環(huán)路阻抗設(shè)計(jì)，PCB布局簡(jiǎn)單。輸入為5V TTL和3.3V CMOS邏輯兼容，典型傳播延遲失配為2ns。這使得可以實(shí)現(xiàn)非常短的死區(qū)時(shí)間，并降低損耗和輸出電流失真。

48V/10A高頻脈寬調(diào)制三相氮化鎵逆變器的參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三個(gè)LMG5200半橋氮化鎵功率模塊的B6逆變器拓?fù)?。圖1是簡(jiǎn)化的框圖。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套件進(jìn)行性能評(píng)估。

圖1:高頻三相氮化鎵逆變器的參考設(shè)計(jì)

知道這么多理論，你好奇在實(shí)踐中能做到多快的切換嗎？圖2顯示了壓擺率約為40V/ns的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。雖然開關(guān)速度超快，但開關(guān)節(jié)點(diǎn)過沖小于10V。與傳統(tǒng)的硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)計(jì)不同，這需要場(chǎng)效應(yīng)晶體管的VDS擊穿電壓和最大允許Vbus電源電壓之間有很小的余量。