氮化镓晶体管实现电机逆变器的理想功率损耗
与开关电源不同，三相电机驱动逆变器通常采用低开关频率；只有几万赫兹。大功率电机体积大，绕组电感高。因此，即使在低开关频率下，电流纹波也是可以接受的。随着电机技术的发展，功率密度增加。这种电机体积小，速度快，需要更高的电气频率。
低定子电感的低压无刷DC或交流感应电机越来越多地或专门用于精密应用，如伺服驱动、数控机床、机器人和公共无人机。为了将电流纹波保持在合理的范围内，这些电机——由于其低电感——，需要高达100kHz的开关频率；相电流纹波与PWM(脉宽调制)开关频率成反比，在机械中转化为转矩脉动，产生振动，降低驱动精度和效率。
那么工程师为什么不提高开关频率呢？一如工程上一贯的原则，这是一种妥协。逆变器的功率损耗主要包括导通损耗和开关损耗。您可以通过减小开关元件(通常是MOSFET)的尺寸来降低给定工作频率下的开关损耗，但这将导致传导损耗的增加。
在理想的设计中，可达到的最高效率受到半导体开关技术的限制。使用传统的基于低压48V硅MOSFET的逆变器，40kHz PWM下的开关损耗可能已经明显高于导通损耗，而导通损耗构成了总功率损耗的绝大部分。为了散发多余的热量，需要一个更大的散热器。不幸的是，这增加了系统成本、重量和整体解决方案尺寸，这在空间受限的应用中是不希望的或不可接受的。
氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)比硅场效应晶体管有许多优势，这开辟了新的可能性。氮化镓晶体管可以实现更高的dV/dt压摆率，因此它可以比硅MOSFET开关更快，从而显著降低开关损耗。氮化镓晶体管的另一个优点是没有反向恢复电荷，这将导致开关节点振铃。表1比较了硅场效应晶体管和氮化镓场效应晶体管。
参数
硅场效应晶体管
钛的甘(HEMT)
注意
元素结构
垂直的
成十字形地
特定无线电数据系统(开)，区域
10mW-cm2
5-8mW-cm2
传导损耗更低。
大门收费QG
~4nC-W
~1-1.5nC-W
降低栅极驱动器的损耗，实现更快的开关速度，降低开关损耗和死区失真。
输出电荷QOSS
~25nC-W
~5nC-W
较低的输出电容可以实现更快的开关速度并减少开关电荷损失
反向恢复QRR
~2-15mC-W
没有
零反向恢复可以实现高效的半桥逆变器，减少/消除硬开关中的振铃。
表1:硅功率场效应晶体管和钛氮化镓场效应晶体管的比较(HEMT)
如果用新的氮化镓场效应晶体管完全取代现有的硅场效应晶体管，好处就会得到享受，世界就会变得越来越简单。例如，在栅极驱动电路和印刷电路板(PCB)布局中实现高转换速率具有独特的挑战。如果处理不当，更高的dV/dt意味着电磁干扰(EMI)增加。通道间传播延迟的不匹配将限制可达到的最佳死区时间，从而阻止氮化镓场效应晶体管实现其最佳性能。
TI的LMG5200GaN功率级克服了这些困难，将两个80v/10a18-m gan场效应晶体管与栅极驱动器集成在同一个未粘合的6mm x 8mm四方扁平无引脚(QFN)封装中。封装引脚采用低功率环路阻抗设计，PCB布局简单。输入为5V TTL和3.3V CMOS逻辑兼容，典型传播延迟失配为2ns。这使得可以实现非常短的死区时间，并降低损耗和输出电流失真。
48V/10A高频脉宽调制三相氮化镓逆变器的参考设计实现了三个LMG5200半桥氮化镓功率模块的B6逆变器拓扑。图1是简化的框图。参考设计提供了一个TI BoosterPack模块兼容接口，用于连接到C2000微控制器(MCU)LaunchPad套件进行性能评估。
图1:高频三相氮化镓逆变器的参考设计
知道这么多理论，你好奇在实践中能做到多快的切换吗？图2显示了压摆率约为40V/ns的开关节点。虽然开关速度超快，但开关节点过冲小于10V。与传统的硅场效应晶体管设计不同，这需要场效应晶体管的VDS击穿电压和最大允许Vbus电源电压之间有很小的余量。
