如今，永磁电机，也称为直流无刷电机（BLDC）被广泛使用，与其他电机相比，每立方英寸提供更高的转矩能力和更高的动态性能

作者：EPC电机驱动系统和应用总监Marco Palma
 
到目前为止，硅基功率器件一直在逆变器电子领域占据主导地位，但如今它们的性能已接近理论极限。对更高功率密度的需求越来越大。
氮化镓（GaN）晶体管和IC具有满足BLDC逆变器需求的最佳特性。GaN卓越的开关能力有助于消除死区时间并提高PWM频率，以获得无与伦比的正弦电压和电流波形，从而实现更平稳、无声的操作和更高的系统效率。
功率密度随着输入滤波器中的电解电容器被更小、更便宜、更可靠的陶瓷电容器取代而增加。GaN晶体管和IC允许设计运行更平稳的电机驱动器，同时减小尺寸和重量。这些优势对于仓储和物流机器人、伺服驱动器、电动自行车和电动踏板车、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使用的电机驱动器至关重要。
EPC开发了一系列参考设计，以简化电机驱动控制应用的设计，并有助于缩短上市时间。
 
GaN基电机驱动展望
随着高容量和高电流电池（如锂离子电池）的出现，许多应用正变成电池驱动。一些应用正在从热力发动机转换为电动发动机，而另一些最初连接到电网的应用正在变成无线。应用实例包括叉车、仓库或农田中的自动导引车（AGV）、城市出行电动汽车、用于货物运输的无人机，以及在不久的将来用于运送人员的无人机。
这些应用的电池电压范围从36V到96V。在系统重量和单次电池充电的机器运行持续时间之间存在权衡。事实上，单次充电的运行时间越长，电池重量就越高。这种妥协对于飞行机器来说是严重而艰难的，因为飞行机器的重量必须优化到最后一克。
如今，所有这些应用都基于两电平逆变器，其功率大小取决于应用。电机的相电流范围从踏板辅助自行车的25 Arms到需要提升重物要求更高的系统的200 Arms。想要使用GaN技术设计逆变器的设计师必须快速学习如何利用GaN的优越特性，包括如何在相电流高时布局印刷电路板，以避免常见的陷阱，这需要并联放置更多的器件。
 
可用的参考设计
EPC发布了一些参考设计，以帮助电机驱动系统设计者在特定电机驱动应用中快速评估GaN FET和GaN IC的性能。这些EPC电机驱动参考设计包括电源板和控制器板。系统设计者决定测试哪个电源板，并选择使用的控制器。电源板的可用参考设计如图1所示，而控制器板如图2所示。


图1：EPC电机驱动参考设计电源板
 

图2：EPC电机驱动参考设计控制器适配器板
 
图1显示了两个基于EPC GaN集成电路的微型电源板（EPC9146和EPC9176）。EPC9146（带EPC2152 IC）能够带散热器的10个Arms，而EPC9176（带EPC 23102 IC）能够带有散热器的15个Arms。EPC9167HC和EPC9173稍大，带散热器可运行多达25个Arms。
所有板都在没有空气对流的情况下进行了测试，当温度比环境温度高出50°C时，定义了最大电流能力。所有电源板共享一个类似的框图，带有一个允许互换控制器板的通用连接器。
图3中的示例显示了EPC9173构建块。所有参考设计均具有车载辅助电源、电流感应、过电流保护、电压感应和温度感应电路。一些参考设计提供了两种方法来感测支路分流器或相位分流器中的电流。
 

图3：EPC9173板在BLDC驱动示例应用中的框图
 
即将推出的电源板参考设计
EPC计划发布包括最新GaN FET的额外电源板（见图4），以便客户能够在特定应用中快速评估EPC2302。EPC2302是市场上低的100V R_DS(ON) GaN FET，EPC2619基于最近发布的EPC Gen 6技术。这些即将推出的板如图4所示。左边所示的EPC9193有两个并联的EPC2619 Gen 6 FET，而右边所示的EPC 9194具有EPC2302，这是第一个以QFN封装发布的EPC GaN FET。这些新的板扩展了EPC电机逆变器系列，可以由现有的控制器板驱动。
 

图4：EPC9193左边有两个并联的EPC2619 Gen 6 FET。右边的EPC9194有EPC2302
 
大电流电源板参考设计
叉车和无人机等电机驱动应用需要数百安培的高电流。电源开关通常并联以增加电流能力，但这种方法对电源设计者提出了严重的挑战，因为较差的布局电感会导致不必要的振铃、过度的功耗和有限的功能。对于GaN FET，并联开关由于其更快的开关速度和逻辑电平门阈值而变得更加困难。一种并联方法如图5所示，即将推出的EPC9186演示了如何为每个逆变器开关并联四个EPC2302。EPC9186配备了数量最少的陶瓷DC母线电容器。事实上，可以通过增加PWM频率来大幅降低DC母线电容。
 

图5：EPC9186是一个三相逆变器，每个开关有四个并联的EPC2302
 
控制器板和固件
当需要选择电机控制器IC时，每个客户都有一个首选的解决方案。EPC的理念是通过为现有控制器参考设计提供特定的适配器板，允许使用首选控制器进行测试，如图2所示。还有一个通用适配器板EPC9147E，它是为那些希望重复使用个人控制卡的客户开发的。在这种情况下，客户可以将必要的信号从其板连接到EPC9147E，并立即开始测试基于EPC GaN的逆变器。
对于现有的特定适配器板（用于Microchip^TM、ST^TM和Texas Instruments^TM），EPC已将原始固件调整为EPC电源板，并在GitHub库中提供了固件。用户可以下载控制器供应商的原始编程工具，然后可以下载EPC Github库中的特定项目（见图6）。在根目录中，Excel文件允许客户通过选择控制器卡和电源板的正确组合来快速找到正确的固件。固件由原始供应商工具生成，当可用时，包括所有源代码和所有必要的配置文件。
 

图6：EPC参考设计固件的EPC GitHub库
 
总结
DC和电池驱动的电机应用正在从传统的硅MOSFET和低PWM频率逆变器转向基于GaN的高频PWM逆变器。优点是系统效率更高，并且消除了电解电容器和输入电感器。EPC为电机驱动器开发了一系列特定应用的参考设计，可用于评估GaN技术，并复制或调整以生成客户的电路图。
提问请发电子邮件至winnie.wong@epc-co.com。详情请访问www.epc-co.com.cn。