【導讀】無刷直流電機（BLDC）在機器人、電動工具、家電和無人機中的應用越來越多。這些應用要求設備具備輕便、小巧、低轉矩脈動、dizaoyinhejigaodejingdukongzhi。weilemanzuzhexiexuqiu，qudongdianjidenibianqixuyaoyigenggaopinlvyunxing，tongshixuyaoxianjindejishulaijianshaoyoucichanshengdegenggaogonglvsunhao。

無刷直流電機（BLDC）在機器人、電動工具、家電和無人機中的應用越來越多。這些應用要求設備具備輕便
、小巧、低轉矩脈動
、dizaoyinhejigaodejingdukongzhi。weilemanzuzhexiexuqiu，qudongdianjidenibianqixuyaoyigenggaopinlvyunxing
，tongshixuyaoxianjindejishulaijianshaoyoucichanshengdegenggaogonglvsunhao。

氮化镓（GaN）晶體管和集成電路能夠在不顯著增加損耗的情況下以更高頻率運行
，相比於基於矽的設備，它們能夠顯著降低成本、噪音
、尺寸和重量。也正因此，GaN在電機驅動領域展現出了巨大的潛力。

同時，在快充市場，GaN早已被廣泛使用，也證明了其足夠的安全可靠性。

GaN在電機驅動中的基本優勢

GaN相比傳統矽具有顯著的優勢，包括更高的電子遷移率、更高的擊穿電壓和更低的導通電阻。這些特性使得GaN器件能夠在更高頻率下工作，同時降低功率損耗。

高效率：GaN器件的導通損耗和開關損耗顯著低於傳統矽器件。例如，TI的DRV7308 GaN IPM可以將逆變器效率提高到99%以上

，而傳統的IGBT解決方案隻能達到97%。



高功率密度：GaN器件允許更高的開關頻率
，減少了被動元件的尺寸，從而提高了係統的功率密度。DRV7308 GaN IPM的封裝尺寸僅為12mm x 12mm，比傳統250W IPM小55%，可以將PCB尺寸減少65%以上。


更好的熱管理：由於GaN器件的低功率損耗，許多應用中可以不需要散熱器
，同時進一步減小係統尺寸和成本。

高頻率操作：GaN器件能夠在高達3 MHz的頻率下工作，滿足高精度控製和低扭矩波動的要求。

集成化設計：例如
，EPC2152 GaN ePower Stage集成了兩個70V、10mΩ的FET和一個自包含的半橋柵極驅動器，極大地減少了公共源電感（CSI）和柵極環路電感。而TI的DRV7308 IPM則包含了六個FET和其他保護及驅動電路。


降低成本：由於GaN器件的高效率和高功率密度，係統設計可以更緊湊，從而減少PCB和散熱器的成本。例如，在一個250W的HVAC壓縮機係統中
，使用DRV7308 GaN IPM可以節省超過2美元的係統成本。

使用 GaN 消除電機驅動設計中的死區時間


如圖所示，GaN在BLDC上的優勢可以分為兩部分
，一個是更高的效率，另外則是更低的死區時間。

在電源轉換領域，死區時間是設計中必不可少但又繁重的方麵，迫使工程師做出讓步以確保可靠性。然而，最近的技術進步，尤其是GaN FET 的出現，可以降低死區時間，同時提升電機驅動器的性能。

了解死區時間

死si區qu時shi間jian是shi指zhi關guan閉bi一yi個ge功gong率lv器qi件jian和he打da開kai另ling一yi個ge功gong率lv器qi件jian之zhi間jian的de延yan遲chi
，這zhe對dui於yu防fang止zhi同tong時shi導dao通tong和he潛qian在zai短duan路lu至zhi關guan重zhong要yao。例li如ru
，在zai同tong步bu降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi中zhong
，兩liang個ge器qi件jian同tong時shi導dao通tong可ke能neng導dao致zhi額e外wai的de損sun耗hao、更高的工作溫度，甚至災難性的故障。

控製死區時間由控製器插入
，可確保正有效死區時間。計算此死區時間是一個複雜的過程，需要考慮傳播延遲、柵極電阻值和 FET 開啟/關閉時間等因素。由於 GaN 器件沒有體二極管反向恢複且開關時間更快，因此與矽 MOSFET 相比，GaN 器件的死區時間更短。

電機驅動死區時間

siqushijiandeyigezhuyaoyingxiangshilingdianliujiaochaqijianshizhenzengjia。zheshiyinweizaisiqushijiannei，nibianqizhiluzhongdegaoduanhediduanshebeidouchuyuguanbizhuangtai，yincishijiadaodianjideshijidianyaqujueyudianliudefuhao。zailingdianliujiaochachu，gaidianyaturangaibianfuhao，chanshengdianyashizhen，daozhidianjidianliuboxingzhongchuxiangaojiexiebo。zhexiedianliubuhuichanshengrenheyouyongdeniuju，danhuidaozhidianjiraozusunhaozengjia，zhengtixiaolvjiangdi。 

死區時間對正弦電機驅動中過零失真的影響比較

減(jian)少(shao)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)中(zhong)的(de)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)對(dui)於(yu)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。通(tong)過(guo)最(zui)小(xiao)化(hua)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)，可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)失(shi)真(zhen)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)更(geng)平(ping)滑(hua)的(de)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)和(he)更(geng)低(di)的(de)損(sun)耗(hao)。這(zhe)最(zui)終(zhong)會(hui)提(ti)高(gao)電(dian)機(ji)效(xiao)率(lv)和(he)整(zheng)體(ti)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)。

死區時間減少和 PWM 頻率增加對正弦電機驅動的綜合影響

GaN能夠為電機驅動應用實現更好的死區時間優化：

開關速度：與矽 MOSFET 相比，GaN FET 具有更快的開關速度。這允許對死區時間進行更精確的控製，因為 GaN FET 的關斷和開啟時間明顯更短。這種更快的開關速度允許對死區時間進行更嚴格的控製。

降低柵極電容：與矽 MOSFET 相比，GaN FET juyougengdidezhajidianrong。zheyiweizhetamenkeyigengkuaididakaiheguanbi
，congersuoduansiqushijian
，erbuhuichanshengjichuandianliudefengxian。zhekeyishixiangenggaoxiaodeyunxing，binggenghaodiyouhuadianjiqudongyingyongzhongdesiqushijian。

零反向恢複電荷：GaN FET 沒有像矽 MOSFET nayangdetierjiguan，congerxiaochuleyuguiqijianxiangguandefanxianghuifudianhe。zhejianshaoledianjiqudongyingyongzhongsuoxudeyouxiaosiqushijian，yinweiwuxukaolvtierjiguandehuifushijian。

在電機驅動器中使用寬禁帶開關器件的機會

低電感電機

低電感電機有許多不同應用
，包括大氣隙電機
、無槽電機和低泄露感應電機。它們也可被用在使用 PCB 定子而非繞組定子的新電機類型中。這些電機需要高開關頻率（50-100 kHz）來維持所需的紋波電流。

然而，使用標準的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）無法滿足這些需求，因為它們隻能實現最高頻率為 20 KHz 的大功率開關。當采用矽 MOSFET 工作於這些頻率時產生的損耗較大，這就為寬禁帶器件開創了新的機會。

高速電機

由於擁有高基波頻率，這些電機也需要高開關頻率。它們適用於高功率密度電動汽車
、高極數電機、擁有高扭矩密度的高速電機以及兆瓦級高速電機等應用。同樣，MOSFET 和 IGBT 能夠達到的最高開關頻率受到限製，而通過使用寬禁帶開關器件可能能夠突破這些限製。

惡劣工況

zaidianjikongzhinibianqizhongshiyongkuanjindaiqijianyoulianggeyinrenguanzhudeyichu。diyi，tamenchanshengdereliangbiguiqijianshao
，jiangdilesanrexuqiu。dier，tamennengchengshougenggaogongzuowendu——SiC：600°C，GaN：300°C，而矽器件能承受的最高工作溫度僅為 200°C。

雖然 GaN 器件目前存在一些與封裝有關的問題
，導致它們所適用的工作溫度不能超過 200°C，但專注於解決這些問題的研究正在進行中。因此，寬禁帶器件更適合可能麵臨惡劣工況的電機應用
，比如混合動力電動汽車（HEV）中的集成電機驅動器、海底和井下應用、空間應用等。

總結在電機驅動器中使用寬禁帶器件的機會

在電機驅動器中使用寬禁帶器件的挑戰

雖然在電機驅動係統中使用寬禁帶器件明顯具有許多極具吸引力的益處，但其中仍有一些挑戰需要克服。

繞組絕緣

第di一yi個ge風feng險xian與yu匝za間jian短duan路lu有you關guan，因yin為wei寬kuan禁jin帶dai器qi件jian是shi以yi現xian用yong電dian機ji繞rao組zu絕jue緣yuan所suo無wu法fa承cheng受shou的de速su度du進jin行xing開kai關guan
，所suo以yi可ke能neng發fa生sheng匝za間jian短duan路lu。解jie決jue這zhe一yi風feng險xian的de潛qian在zai方fang法fa有you兩liang種zhong。第di一yi種zhong是shi限xian製zhi電dian壓ya變bian化hua率lv（dv/dt），但dan這zhe意yi味wei著zhe無wu法fa充chong分fen發fa揮hui寬kuan禁jin帶dai器qi件jian的de全quan部bu潛qian能neng，且qie提ti高gao了le逆ni變bian器qi損sun耗hao。第di二er種zhong是shi研yan究jiu和he進jin一yi步bu開kai發fa能neng夠gou承cheng受shou這zhe些xie開kai關guan頻pin率lv和he電dian壓ya變bian化hua率lv（dv/dt）的新型絕緣材料。

軸承壽命

更快開關速度會增加電機軸承的局部放電，這可能降低軸承（和電機）壽(shou)命(ming)，從(cong)而(er)削(xue)弱(ruo)了(le)使(shi)用(yong)寬(kuan)禁(jin)帶(dai)器(qi)件(jian)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)的(de)益(yi)處(chu)。解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)的(de)潛(qian)在(zai)方(fang)法(fa)之(zhi)一(yi)是(shi)使(shi)用(yong)擁(yong)有(you)陶(tao)瓷(ci)塗(tu)層(ceng)的(de)軸(zhou)承(cheng)。遺(yi)憾(han)的(de)是(shi)，它(ta)們(men)非(fei)常(chang)昂(ang)貴(gui)，會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)機(ji)造(zao)價(jia)增(zeng)加(jia)。

電纜長度

更(geng)高(gao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)會(hui)造(zao)成(cheng)信(xin)號(hao)在(zai)較(jiao)長(chang)的(de)電(dian)纜(lan)上(shang)發(fa)生(sheng)反(fan)射(she)的(de)問(wen)題(ti)。解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)的(de)方(fang)法(fa)之(zhi)一(yi)是(shi)使(shi)用(yong)濾(lv)波(bo)器(qi)，但(dan)這(zhe)會(hui)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)新(xin)增(zeng)了(le)濾(lv)波(bo)器(qi)損(sun)耗(hao)。目(mu)前(qian)正(zheng)在(zai)研(yan)究(jiu)如(ru)何(he)提(ti)高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)，比(bi)如(ru)通(tong)過(guo)將(jiang)逆(ni)變(bian)器(qi)置(zhi)於(yu)離(li)電(dian)機(ji)更(geng)近(jin)的(de)位(wei)置(zhi)，來(lai)縮(suo)短(duan)電(dian)纜(lan)長(chang)度(du)，降(jiang)低(di)電(dian)纜(lan)上(shang)的(de)信(xin)號(hao)反(fan)射(she)影(ying)響(xiang)。

總結

GaN（GaN）技術在電機驅動領域的應用展示了顯著的優勢和廣闊的前景。憑借其高效能、高功率密度和優越的熱管理特性，GaN器件不僅提升了電機驅動的效率和性能
，還顯著減小了係統尺寸和成本。盡管在應用過程中存在一些挑戰，如繞組絕緣
、軸承壽命和電纜長度等問題，但隨著技術的不斷進步和創新
，這些問題有望得到有效解決。GaN技術的引入，無疑為電機驅動係統帶來了全新的變革和無限的可能性。

參考文獻：

EPC：eBook-GaN Devices for Motor Drive Applications
英飛淩：Infineon-Wide_bandgap_switches_in_motor_drives_systems-Whitepaper-v01_00-CN
德州儀器：Achieving household energy efficiency and cost savings 
with GaN-based motor system designs

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