应用于电机驱动的 GaN ePower 集成电路

　　此比拟中三个最首要的参数是较高的带隙、临界场和迁移率。临界场以伏特/厘米为单元丈量，抉择了雪崩击穿的阈值。是以，器件击穿的电压与漂移区的宽度成正比。关于沟通的击穿电压，GaN 的漂移区比硅小 10 倍。当这些参数全数连系起来时，假如晶体的临界场高 10 倍，则电端子之间的间隔能够减少 10 倍。这致使了 GaN 和硅之间的显然差别：中压氮化镓器件能够基于立体手艺构建，而这关于硅器件来讲本钱昂扬。为了拥有竞争力，硅器件接纳垂直手艺创造，平日栅极和源极位于顶部，漏极位于底部，这使得在统一芯片中实际上弗成能有两个功率器件。EPC 的 GaN-on-Si 立体手艺没有这类必需垂直构建的限定，应用这一点的集成电路的示意性横截面如图 1 所示。

　　图 1.  EPC 氮化镓手艺可完成功率器件与栅极驱动器逻辑的集成。图片由 Bodo's Power Systems供应
　　从分立横向 eGaN FET 器件开端，EPC 敏捷转向更高集成度。2014 年，EPC 推出了一系列集成器件，此中在一个芯片上包括多个 FET，这成为迈向片上电源体系之旅的终点。跟着带有集成同步自举晶体管的集成半桥 EPC2107 和 EPC2108 的推出，这一趋向得到了扩大。
　　2018 年，EPC 连续其集成之路，推出了 GaN IC，将栅极驱动器与高频 GaN FET 结合在单个芯片中，以进步服从、减少尺寸并下降本钱。2019 年，ePower Stage IC 系列产物从新界说了功率转换，将所有必须的电源片上体系性能集成在单个硅基氮化镓集成电路中，电压和频次程度超出了硅的局限。比来，EPC23101 与 EPC2302 功率级芯片组于 2021 年被推向市场。
　　GaN 集成电路单片功率级 – EPC2152
　　第一个 ePower Stage 器件于 2019 年推出。EPC2152 是一款单片集成单芯片驱动器加 GaN FET 半桥功率级 IC。输出逻辑接口、电平转换、自举充电和栅极驱动缓冲电路以及设置为半桥的 GaN 输入 FET 均集成在单片芯片内。这类集成形成为了芯片级 LGA 形状尺寸，尺寸仅为 3.85 毫米 x 2.59 毫米 x 0.63 毫米。半桥拓扑中的两个 GaN 输入 FET 设想为拥有沟通的 8.5 mΩ 典范 R DS(on)。　　GaN FET 与片上栅极驱动缓冲器的集成实际上消除了共源极电感和栅极驱动环路电感的影响。LGA 引脚罗列最大限度地减少了电源环路电感，有利于外部垂直结构手艺。EPC2152 的框图如图 2 所示，参考设想 EPC9146 BLDC 逆变器性能框图如图 3 所示。

　　图 2.  EPC2152 GaN 集成电路框图。图片由 Bodo's Power Systems供应

　　图 3.  EPC9146 BLDC 逆变器性能框图。图片由 Bodo's Power Systems供应
　　 接纳 EPC2152 的 EPC9146 机电驱动参考设想
　　为了展示 EPC2152 集成电路在机电驱动逆变器中的性能，EPC 宣布了 EPC9146 参考设想。它是一款三相无刷 (BLDC) 机电驱动逆变器板，包括三个 EPC2152 单片 ePower 级，最大输入电流为 15 A pk (10.5 A RMS )。除了单片功率级以外，该板还包括支撑残缺机电驱动逆变器所需的所有关头性能，包孕用于外务电源、电压和温度感测、相电流感测和维护性能的调理辅佐电源轨。EPC9146 的种种功能块如图 3 所示。该参考设想可用于机电相电流为 10 A RMS继续电流和 15 A电流的所有使用。有效值高电流在有限时间内运转。
　　GaN IC 功率级芯片组 – EPC23101 与 EPC2302 组合
　　沿着进一步集成和进步功率密度的路途，EPC 于 2021 年推出了一款芯片组，该芯片组连系了 EPC23101（拥有单片集成半桥栅极驱动器的高侧 GaN）和 EPC2302 GaN FET，如图 4 所示。
　　EPC23101 是一款额外电压为 100 V 的单片组件，集成为了输出逻辑接口、电平转换、自举充电和栅极驱动缓冲电路，以及高侧 2.6 mΩ 典范 R DS(on) GaN 输入 FET。EPC2302 是 100 V 配套低侧、1.4 mΩ 典范 R DS(on) GaN FET。在硬开关转换时期，经由过程抉择调谐电阻器 R BOOT和 R DRV，能够将过压尖峰控制在轨以上 +10V 如下和地如下 –10V 如下。　　EPC23101 IC 仅需求内部 5 V (V DRV ) 电源。外部低侧和高侧电源V DD和V BOOT是经由过程串连开关和同步自举开关从内部电源天生的。经由过程将 EN 引脚连接到 V DRV能够禁用外部电路以下降动态功耗。FET 栅极驱动电压源自外部低侧和高侧电源。全栅极驱动电压仅在 HS IN和 LS IN PWM 输出运转几个周期后可用。与 EPC2152 相比，EPC23101 与 EPC2302 的连系使设想职员可以或许制造更高电流的逆变器。

　　图 4.  EPC23101 与 EPC2302 GaN IC 芯片组组合框图。图片由 Bodo's Power Systems供应
　　接纳 EPC23101 的 EPC9173 机电驱动参考设想
　　为了展示 EPC23101 IC 在机电驱动逆变器中的性能，EPC 宣布了 EPC9173 参考设想。在此板上，三相逆变器的每一个半桥均包括两个 EPC23101 IC，其 PWM 旌旗灯号交织连贯，同意拔出源 来读取电流，如图 5 所示，此中包括原理图的一部分。　　经由过程对低侧开关应用沟通的 IC，能够完成均衡半桥逆变器，而且两个开关都可以相对电源地浮动。这使得源分流器的拔出加倍轻易，防止输出 PWM 旌旗灯号节点上的接地弹跳。EPC9173 板包括一个过流检测电路，可用作过流或限流性能，详细取决于所需的算法和调制。

　　图 5.  EPC9173 BLDC 逆变器性能框图。图片由 Bodo's Power Systems供应 　　PWM频次增添和死区时候缩小
　　GaN 集成电路和 FET机电驱动使用拥有多种上风轻易懂得好处是逆变器尺寸的减小，这是因为 GaN FET 和 IC 的固有尺寸比等效 MOSFET 更小。然而，为了充沛应用新技术最佳以更高的 PWM频次运转机电，从而缩小死区时候 [2]。
　　传统的硅 MOSFET 逆变器遭到高开关消耗和换向行动限定平日无奈在 40 kHz PWM频次以上运转且死区时候低于 200 ns。基于 GaN 的逆变器在这个意义上不受限定而且能够进步机电服从由于电流纹波缩小，欧姆耗散下降而且致使机电振动的扭矩谐波更少 [2]。
　　图 6.拥有 50% 占空比方波电压鼓励机电中 PWM惹起消耗测量值与估计值之间比拟 [4]。图片由 Bodo's Power Systems供应 　　所有需要高频次倏地静态使用比方无人机螺旋桨和电动自行车踏板机电应用异常低电感（个位数局限机电跟着经由过程更好资料和更高强度的永磁体完成的更高效磁路设想涌现，电磁相的匝数能够缩小，但仍然发生沟通的反电动势。
　　 　　表 2.  20 kHz、500 ns 逆变器拥有缩小输出滤波器的 100 kHz、14 ns GaN 逆变器之间比拟 [2]。
　　永磁机电发生反电动势电压速率 ω 成正比（e = Ke而且给定机电能够运转的最大速率与直流母线电压和电压常数 Ke间接相干。为了进步速率需要经由过程减少相 匝数来下降 Ke，从而按差值的平方缩小电感。将电流纹波限定在相电流的 10如下是一种精良设想实际而且只能经由过程进步 PWM频次完成。
　　电流时候回升与电压与电感的比率无关跟着电感的减小，电流上升得更快，PWM感应电流纹波也是云云缩小的电流回升时候和较大的纹波增添发生的热量发生额定的 EMI 噪声，这是但愿普通来讲，这些机电拥有较小时候常数
　  τ=LR τ = L R 　　逆变器输出电压纹波输入相电流成正比，与 PWM频次输出电容成反比，如下式：(1)　　 Δvin∞1fPWM1相Cin Δ v i n ∞ 1 f P W M 1 相 C i n  (1) 　　

    所需的纹波取决于从直流电源到逆变器发生的辐射所给出的 EMI束缚假如PWM频次在20kHz范围内，则实际上只能经由过程应用体积大且可靠性比陶瓷电容器差的电解电容器取得所需输出电容Cin另外，电解电容器遭到流经它们的 RMS 电流限定是以需求并联更多电容器致使输出电容设想所需的电容凌驾一个数量级以上频次增加到 100 kHz设想职员能够应用 X7R 等陶瓷电容器记着，作为设想划定规矩，当施加的电压额外电压的一半时无效电容会降至指定值的一半。
　　EPC9173 参考设想供应电解电容器和陶瓷电容器设想职员机遇抉择本人爱好的开关频次依据需求增添或删除电容器。

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