GaN Vs MOSFET，高速电机驱动您选谁？

与开关模式电源不同，三相电机驱动逆变器通常使用低开关频率；只有数万赫兹。大功率电机尺寸大，电感绕组高；因此，即使在低开关频率下，电流纹波也是可以接受的。随着电机技术的进步，功率密度增加；电机形状尺寸小，速度快，电频率高。

低压无刷直流或具有低定子电感的交流感应电机越来越多或专门用于伺服驱动CNC(计算机数控)机器、机器人和公用无人机等精密应用中。这些电机为了保持电流纹波在合理的范围内，因为它们的低电感-高达100kHz开关频率；相电流纹波和PWM开关频率成反比，转化为机械中的扭矩脉动，产生振动，降低驱动精度和效率。

Q：那为什么工程师不增加开关频率呢？

就像工程中的一贯原则一样，这是一种妥协。逆变器的功率损耗主要包括传导损耗和开关损耗。您可以减少开关元件（通常是MOSFET)在给定工作频率下降低开关损耗的尺寸，但会增加传导损耗。

在理想的设计中，半导体开关技术限制了最高效率。采用传统的低压48V硅MOSFET的逆变器，40kHz

PWM下开关损耗可能明显高于传导损耗，从而构成整体功率损耗的绝大多数。需要更大的散热器来消耗多余的热量。不幸的是，这增加了系统成本、重量和解决方案的总尺寸，这在有限的空间应用中是不可预测或不可接受的。

氮化镓(GaN)晶体管具有高电子迁移率(HEMT)具有优于硅MOSFET各种优势开辟了新的可能性。GaN晶体管可以高得多dV/dt因此，压摆率可以与硅相比MOSFET切换更快，从而显著减少开关损耗。GaN晶体管的另一个优势是没有反向恢复电荷，传统硅MOSFET设计的反向恢复电荷会导致开关节点振铃。

表1比较了硅FET和GaN

FET：

表1：硅功率MOSFET和TI的GaN FET(HEMT)对比

如果用新的GaN

FET完全替换现有硅MOSFET，享受好处，世界会变得轻松简单。例如，在栅极驱动电路和印刷电路板上(PCB)在布局中实现高压摆率具有独特的挑战性。如处理不当，则较高dV/dt这意味着增加电磁干扰(EMI)。通道之间的传播延迟失配将限制最佳死区时间，阻碍死区GaN

FET实现其最佳性能。

TI的LMG5200GaN通过两个80功率级V/10A

18-mΩGaN FET与栅极驱动器集成在同一个无键合6中mm x

8mm四方扁平无引脚(QFN)在包装中，克服了这些困难。低功耗电路阻抗设计为封装引脚，PCB布局简单。输入为5V TTL和3.3V

CMOS逻辑兼容，有2ns典型的传播延迟失配。这使得死区时间很短，减少了损耗和输出电流失真。

用于高速驱动TI设计48V / 10A高频PWM 3相GaN逆变器参考设计实现了三种LMG5200半桥GaN功率模块的B6逆变器拓扑结构。图1是简化框图。参考设计提供了一个参考设计TI BoosterPack?连接到模块兼容接口C2000?微控制器(MCU)LaunchPad?为了评估性能。

图1：高频三相GaN逆变器参考设计

了解了这么多理论，你好奇在实践中切换有多快吗？图2显示压摆率约为40V/ns开关节点。尽管切换速度超快，但开关节点过冲小于10V。与传统的硅FET这需要不同的设计FET的VDS击穿电压和允许最大Vbus电源电压之间有较小的裕度。

图2：48V输入和10A负载时的开关节点

基于分流的同相电流测量相电流测量也具有挑战性。48基于分流的在线电机相电流检测V使用三相逆变器参考设计TI的INA精密电流检测放大器解决了这个问题。INA240具有-4V至80V宽共模范围和增强PWM抑制；在50kHz其交流共模抑制比(CMRR)为93dB，其DC CMRR为132dB。

最大负载电流为7ARMS参考设计板的功耗为4.95W，使用的PWM频率为40kHz，使用100kHz PWM时功耗为5.65W。图3是输出电流函数的功率耗散。最大输入功率为400W时达到48V总线理论效率最高。这使得在7ARMS相间电压为34VRMS，并且在100kHz逆变器效率为98.5％。

图3:氮化镓参考设计48V与三相RMS输出电流时的功率损失

由于高开关频率和快速电流控制环，相电流非常接近正弦曲线，显示出较小的失真。这减少了扭矩脉动和气味噪声，并提供了最高的效率。图4显示了电流波形和应用程序PWM电压关系曲线。

图4：1kHz1000正弦相电流kHz PWM失真较低

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