实现更小、更轻、更平稳的电机驱动器的氮化镓器件

日期:2021-12-15
 
作者:Marco Palma,宜普电源转换公司(EPC
 
目前的永磁电机或称为直流无刷电机(BLDC)的应用非常广泛。与其他电机相比,永磁电机可提供每立方英寸更高的扭矩和更优越的动态性能。到目前为止,硅基功率器件在逆变器电子领域中一直占主导地位。可是,它们的性能已接近理论极限[1-2],而且市场对更高功率密度的需求日益增加。氮化镓(GaN)晶体管和IC具有优越特性,可以满足这些需求。
氮化镓器件具备卓越的开关性能,有助消除死区时间且增加PWM频率,从而获得无与伦比的正弦电压和电流波形,让电机实现更平稳、更安静的运行和更高的系统效率。由基于氮化镓器件的逆变器以更高的PWM频率和最短促的死区时间驱动时,电机变得更有效率。把输入滤波器中的电解电容器改为使用更小、成本更低且更可靠的陶瓷电容器,可增加功率密度。
氮化镓器件使得电机驱动器在减小尺寸和重量的同时,可以实现更平稳的运行。这些优势对于仓储和物流机器人、伺服驱动器、电动自行车和电动滑板车、协作机器人和医疗机器人、工业无人机和汽车电机等应用中的电机驱动器来说,至关重要。
 
基于硅器件的逆变器的限制
逆变器的功耗由传导损耗和开关损耗组成。传导损耗与开关的RDS(on)成正比。降低沟道电阻有助于降低传导损耗,但会增加开关损耗。传导损耗和开关损耗的关系取决于采用什么技术。
直流和电池供电的电机驱动应用的直流总线电压范围为 24 VDC 至 96 VDC。对于硅MOSFET,其PWM频率保持在 40 kHz 以下,死区时间在 200 ns 至 500 ns 范围内。低PWM频率避免了Si MOSFET固有的高开关损耗。
 
扭矩中的六次谐波损耗
对于硅器件,其必需的死区时间产生扭矩中电频率的 6 次谐波,它降低了电机效率并同时增加传递到负载和绕组温度的振动。
 
氮化镓器件的优势
由于氮化镓器件具有较低的开关损耗且没有体二极管pn结,因此在硬开关中,没有相关的反向恢复。这两个因素有助于消除死区时间并将PWM频率增加到可以用陶瓷电容器代替输入滤波器,其优点是可实现更小、更轻的逆变器,从而可以更安静地运行。电机在较低温度下实现更平稳的运行、效率更高。而使用陶瓷电容器可以降低成本和提高系统的可靠性[3]。
体二极管反向恢复
当半桥MOSFET与其互补开关的体二极管导通时,必须应对反向恢复电流,这取决于负载电流和导通的di/dt[6]。因此,通常的做法是减慢导通以降低di/dt、降低反向恢复电流。但这需要增加施加在半桥器件的最小死区时间。
GaN FET可实现具有可重复且平滑的 dv/dt,从而减少死区时间。
 
消除死区时间的影响
采用分立式eGaN®FET或GaN ePowerTM功率级IC[4]的逆变器,其死区时间可以减少到几十纳秒,从而使得平滑的电压波形可以施加到电机端子。图1和2显示了在两个不同死区时间的调制电压和相电流的差异。消除死区时间可以提高所施加的正弦电压的质量(就THD而言),继而实现减少相电流失真、振动和电机所产生的噪声。
 

图 1:在 20 kHz 和 500 ns 死区时间的电压调制和相电流。


图 2 :在 20 kHz 和 14 ns 死区时间的电压调制和相电流。
 
死区时间导致每个电气循环合共出现 6 次停摆,表现为施加到电机的扭矩中的 6 次谐波。图3和4展示出扭矩信号频谱的比较。使用基于氮化镓器件的逆变器,施加的扭矩更平滑,而且电机的效率更高,因为所有电流都转换为施加到负载的扭矩。
 

图 3:500 ns死区时间对扭矩信号的影响;电频率为 27 Hz,可见 6 次谐波。扭矩信号从扭矩传感器取得。


图 4:14 ns 死区时间对扭矩信号的影响;电频率为 27 Hz,扭矩 6 次谐波为零。
 
提高PWM频率的影响
减少输入滤波器
基于氮化镓器件的逆变器可以在100 kHz PWM频率下运行。输入电压纹波是逆变器输出峰值电流、输入电容值和PWM开关频率的函数[5]。
如果PWM频率从 20 kHz 增加到 100 kHz,输入电容可以减少至少五倍以保持相同的输入电压纹波。
输入电流纹波与PWM频率成反比。增加PWM频率可双倍降低输入电流纹波和输入电压纹波。
对于低PWM频率(20 kHz),所需的输入电容由极化电解或钽电容器构成。电解电容器限制了它们可以支持的RMS电流量,而钽电容器则非常昂贵。
当PWM频率增加时,所需的最小化电容会降低,从而允许使用陶瓷电容器。在100和200 kHz之间的范围内,陶瓷电容器具有较低的串联阻抗、温度更稳定且更可靠,从而在给定的相同功耗和功率输出条件下,实现更小型化和更可靠的逆变器,。
图5和6显示了在比较由传统逆变器和GaN逆变器组成的两种不同设置的输入电流、输入电压和输出电流的纹波。
两种设置都以36 VDC电池电压和 5 ARMS 相电流运行电动自行车的电机。由于输入电压和电流纹波相似,因此预期EMI相同。在基于氮化镓器件的100 kHz 解决方案中,输出电流纹波降低,而电机的电流具有更好的正弦形状。


图 5:带有 LC 输入滤波器的传统逆变器,PWM = 20 kHz、DT = 500 ns、L = 6 µH、C = 2 x 330 µF 电解电容器;U相电流500 mA/div、输入电压200 mV/div、输入电流200 mA/div和 50 µs/div 缩放时间刻度。
 

图 6:没有输入滤波器、基于氮化镓器件的逆变器于PWM = 100 kHz、DT = 21 ns、C = 2 x 22 µF 陶瓷; U相电流 500 mA/div、输入电压 200 mV/div、输入电流 200 mA/div 和 10 µs/div 缩放时间刻度。
 
系统效率
我们比较了使用功率计系统的两种设置(见图5和6),与传统逆变器在低PWM频率工作并使用输入LC滤波器相比,基于氮化镓器件且在100 kHz工作的逆变器具有更高的总系统效率。
 
Setup Inverter
(20kHz, 500 ns dead time)
400 RPM 5 Arms
GaN Inverter
(100kHz, 14 ns dead time
400 RPM, 5 Arms)
Input Inductance 2.7 µH None
Input capacitor 660 µF electrolytic 44 µF ceramic
Pin 121.3 W 113.3 W
Pout 119.6 W 111.3 W
ηinverter 98.5% 98.2%
Speed 42.25 rad/s 41.94 rad/s
Torque 1.876 N 1.940 N
Pmech 79.3 W 81.36 W
ηmotor 66.3% 73.1%
ηtotal efficiency 65.3% 71.8%
 
 
表1:基于Si和氮化镓器件逆变器的系统的效率比较。扭矩和速度用传感器测量。
 
表1展示出当基于硅器件的 20 kHz 逆变器转为采用氮化镓器件的100 kHz 逆变器,差不多没有死区时间、缩小了输入滤波器的尺寸、降低重量和成本,而且在特定的工作测量点的总系统效率提升了6.5%。
 
总结
直流和电池供电的电机应用正在从采用传统的Si MOSFET的低频PWM逆变器,转为采用氮化镓器件的高频PWM逆变器,其优势是实现更高的系统效率而无需使用电解电容器和输入电感器。
 
参考资料:
  1. Lidow, A., De Rooij, M., Strydom, J., Reusch, D., Glaser, J., GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Third Edition, Wiley. ISBN 978-1-119-59414-7
  2. Baliga, B. J., “Power semiconductor device figure of merit for high frequency applications,” IEEE electron Device Lett., vol. 10, p. 455, Oct. 1989.
3     Albertsen A., “Reliability of electrolytic capacitors,” Jianghai Europe Electronic Components GmbH
4     Glaser, J., Reusch, D., “Comparison of deadtime effects on the performance of dc-dc converters with gan fets and silicon mosfets,” 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)
5     Vujacic, M., Hammami, M., Srndovic, M., Grandi, G., "Analysis of dc-link voltage switching ripple in three-phase PWM inverters," Energies. 2018; 11(2):471. [Online]. Available: https://doi.org/10.3390/en11020471.
 
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