如何整合 GaN 功率級達到高效的電池供電式 BLDC 馬達推進系統

作者：Jens Wallmann

2023-02-22

諸如協作機器人 (cobot)、電動自行車、工業無人機以及電動工具等採用電池供電的應用領域，皆需要輕盈且小巧外型尺寸的電動馬達。無刷直流 (BLDC) 馬達是優秀的選擇，但馬達驅動電子元件相當複雜且有諸多設計考量。設計人員必須精確地調節扭力、速度和位置，還要將振動、雜訊和電磁輻射 (EMR) 降至最低，以確保到高度精確。此外，還要避免採用笨重的散熱片和外部線束，以減輕重量，並節省空間和成本。

設計人員經常面臨的一項挑戰就是，要在時間與預算的壓力下平衡設計需求，同時還要避免發生高成本的開發錯誤。要達到上述目標，有個作法就是運用諸如氮化鎵 (GaN) 等快速、低損耗的半導體技術，達到驅動 BLDC 馬達所需的功率級。

本文將探討 GaN 架構功率級的相對優勢，並介紹 EPC 運用半橋拓撲實作的裝置範例。此外還會說明如何使用相關開發套件快速開展專案。在此過程中，設計人員將可瞭解如何利用 Microchip Technology 的 motorBench 開發套件，在最少編程的情況下，測量 BLDC 馬達的參數，並在無感測器磁場導向控制 (FOC) 模式下操作。

GaN 的優點

為了在電池應用領域中有效控制 BLDC 馬達，開發人員需要採用小型尺寸的高效輕巧驅動級，以便在實作時盡可能地靠近致動器。例如，在馬達外罩內部實作。

絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 強大穩固，在最大 200 kHz 下可切換最高 100 MW 的大功率，但不適合用於需管理電池充電電壓高達 80 V 的裝置。在高接觸電阻、續流二極體、切換損耗以及關閉時的電流尾等因素相加之下，會導致訊號失真、產生額外熱能和雜散輻射。

相較於 IGBT，金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET) 的切換速度更快，而且切換與阻抗損耗較低，但其閘極電容需要強大的閘極驅動器，以在高切換頻率下運作。高頻運作能力對於設計人員而言非常重要，原因在於可使用小巧的電子元件來降低整體空間需求。

選擇具備高載子遷移率的 GaN 高電子遷移率電晶體 (HEMT)，可讓設計人員以極快且低損耗的方式建構與分解半導體接面。像是 EPC 的 EPC23102ENGRT 等整合式 GaN 驅動器，就具備超低切換損耗與高切換頻率特點，可在極為狹小的空間中達到緊湊的裝置設計。單晶片包含帶有位準移位器的輸入邏輯介面、自舉負載和閘極驅動器電路，而此電路可控制半橋拓撲配置的 GaN 輸出 FET (圖 1)。晶片封裝經過最佳化，可達到高散熱與低寄生電感。

圖 1：EPC23102 包含控制邏輯、位準移位器、閘極驅動器，以及採用半橋拓撲的 GaN 輸出 FET (左側)。晶片封裝 (右側) 經過最佳化，可達到高散熱與低寄生電感。(圖片來源：EPC)

較少廢熱與較低 EMR

EPC23102 輸出電晶體具備 5.2 mΩ 的典型汲極源極導通電阻 (R_DS(on)) (25°C 下)。這些電晶體可處理高達 100 V 的電壓，以及最高 35 A 的電流。此外，GaN 裝置採用橫向結構，且無本質本體二極體，因此產生的閘極電荷 (Q_G) 和逆向復原電荷 (Q_RR) 極低。

相較於具備類似 R_DS(on) 的 MOSFET 裝置，GaN 驅動器的切換損耗減少最多五倍，因此可讓 GaN 架構逆變器在相對較高的脈寬調變 (PWM) 頻率下運作 (最高 3 MHz)，且失效時間更短 (不到 50 ns)。

GaN 半導體具有高切換速度 (dV/dt) 和低溫係數，更採用具有降低寄生電感的風裝設計，可將訊號失真降至最低，進而將 EMR 和切換損耗降至最低。如此一來，就不需要採取濾波策略，也可使用更小的低成本電容與電感，進而節省電路板空間。

除了低接觸電阻 R_DS(on) 外，GaN 裝置還具備諸如 GaN 基板高熱傳導率，以及元件封裝的較大熱接觸面積等其他優勢，因此 GaN 功率級無需散熱片即可切換最大 15 A 的電流 (圖 2)。

圖 2：在 25.5°C 環境溫度與不同 PWM 頻率下，GaN 功率級的溫升與相位電流關係。(圖片來源：EPC)

EPC23102 的低側至高側通道還具有強大的位準轉換器，可在軟切換與硬切換條件下運作 (甚至在大量負向端子電壓下)，並可避免由快速 dV/dt 暫態引起的誤觸，包括源自外部來源或相鄰相位的暫態。內部電路整合了邏輯與自舉功率電荷與停用功能。防護功能可在電源電壓過低，甚至是故障時，避免意外開啟輸出 FET。

現成可用的馬達逆變器評估套件

要開始使用 GaN 技術的三相 BLDC 馬達，最輕鬆快速的方是就是採用 EPC 的 EPC9176KIT 馬達逆變器評估套件。此評估套件包含 EPC9176 馬達逆變器板與 DSP 控制板。此外還隨附可透過客戶特定主機控制器操控的簡易型 EPC9147E 控制器插拔式配接器。耦合連接器可傳輸下列訊號：3 個 PWM、2 個編碼器、3 個 U_phase、3 個 I_phase、U_DC、I_DC，以及 2 個狀態 LED。

EPC9176 馬達逆變器板屬於公版設計，有助於促成內部電路設計，而 EPC9147A 控制板在搭配 Microchip Technology 的 motorBench 開發環境後，就可讓使用者快速架設和運作，無需耗費時間寫程式或編程。

三相 BLDC 馬達逆變器整合了三個 EPC23102 GaN 半橋驅動器，可控制 AC 或 DC 馬達以及 DC/DC 電力轉換器。在最大 6.6 mΩ 的 R_DS(on) 環境下，以 100 V 切換電壓恆定運作時，功率級在處於 28 A 峰值 (A_pk) 負載電流或 20 A rms (A_RMS) 下產生的熱損耗極少。EPC23102 專為多相位 DC/DC 轉換而配置，支援最高 500 kHz 以及 250 kHz (針對馬達驅動應用) 的 PWM 切換頻率。

EPC9176 馬達逆變器板尺寸為 8.1 × 7.5 cm，包含支援完整馬達逆變器所需的一切關鍵功能電路，包括 DC 匯流排電容、閘極驅動器、穩壓輔助電壓、相位電壓、相位電流和溫度量測，以及適用於每個相位的保護功能與選配的諧波或 EMR 濾波器 (圖 3)。

圖 3：EPC9176 馬達逆變器配備 DC 匯流排電容、閘極驅動器、穩壓器、電壓感測、電流與溫度保護功能，以及 EMR 濾波器。(圖片來源：EPC)

三相 GaN 逆變器可在 14 至 65 V _DC 的輸入電壓下運作，並可在無過衝的情況下切換，能產生順暢扭力並將運作雜訊降至最低。此電路板針經過最佳化，能讓 GaN 典型高速切換斜率達到低於 10 V/ns，並可選擇性地降低，以操作 DC/DC 轉換器。此外還可連接以不同電壓位準運作的兩個轉子位置感測器 (霍爾感測器)。

無振動扭力與低運作雜訊

透過三相 BLDC 馬達的實作範例，展示失效時間參數化對馬達順暢運作以及雜訊產生的影響。針對 GaN FET 架構的半橋高側與低側 FET 之間的切換過渡，可選擇極短的鎖定時間，這是因為 GaN HEMT 反應極為快速，且不會像速度較慢的 MOSFET 一樣產生寄生過衝。

圖 4 (左側) 顯示在 40 kHz 的 PWM 頻率下，以 500 ns 的典型 MOSFET 失效時間運作的 GaN 逆變器。原本應平滑的正弦相位電流呈現極高失真，進而引發高轉矩漣波與對應雜訊。在圖 4 (右側) 中，失效時間已縮短至 50 ns，可達到正弦相位電流，能讓馬達順暢運作且僅有超低雜訊。

圖 4：典型的 MOSFET 在 40 kHz PWM 頻率下的失效時間為 500 ns (左側)，會導致相位電流產生高失真，引發高轉矩漣波與高雜訊位準。失效時間為 50 ns (右側) 時，會產生正弦相位電流，能讓馬達在低雜訊狀態下順暢運轉。(圖片來源：EPC)

降低相位電流的漣波也意味著定子線圈的磁化損耗會降低，而相位電壓漣波降低，就可產生更高的解析度，並可更加精確地控制扭力和速度，尤其是用於類似設計的低電感值馬達。

針對需要更大功率的馬達驅動應用，有兩款 GaN 逆變器板可使用：EPC9167HCKIT (1 kW) 與 EPC9167KIT (500 W)。兩款皆採用 EPC2065 GaN FET，最大 R_DS(on) 為 3.6 mΩ，最大裝置電壓為 80 V。EPC9167 電路板針對每個切換位置採用單一 FET，EPC9167HC 則具備兩個可同時運作的 FET，可提供最大 42 A_pk (30 A_RMS) 的輸出電流。EPC2065 GaN FET 針對馬達控制應用支援最高 250 kHz 的 PWM 切換頻率，針對 DC/DC 轉換器則支援最高 500 kHz。

EPC9173KIT 逆變器板可提供更高的功率，最高 1.5 kW。此電路板構成了兩個單通道 EPC23101ENGRT GaN 閘極驅動器 IC 的半橋分支，兩個閘極驅動器 IC 僅具有一個整合式高側功率 FET。此電路板可擴充為降壓、升壓、半橋、全橋或 LLC 轉換器，提供高達 50 A_pk (35 A_RMS) 的輸出電流，在適當散熱下，能以最高 250 kHz 的 PWM 切換頻率運作。

只要數分鐘時間即可讓驅動級完成設定並運作

若要在不編寫程式碼的情況下評估 EPC9176 GaN 逆變器板，最快速的方式即是採用 EPC9147A 控制器介面板。MA330031-2 插入式模組 (PIM) 包含 Microchip Technology 推出的 dsPIC33EP256MC506-I-PT 16 位元 DSP (圖 5)。

圖 5：EPC9147A 通用控制器介面卡可搭配多種插入式模組，例如 16 位元 dsPIC33EP256 DSP 架構的 MA330031-2 PIM。(圖片來源： EPC/Microchip Technology)

為了促進 DSP 控制器介面運作，設計人員可採用 motorBench 開發套件，並添加以下項目：

為方便探討，此範例採用 EPC9146 GaN 馬達逆變器板：

以名為「sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X」的 EPC914xKIT 開始展開 MCLV-2 或 EPC 專案

使用者可輕鬆挑選 EPC9146 GaN 馬達逆變器板用的範例 HEX 檔案，並使用編程配接器 (如用於 16 位元微控制器的 Microchip Technology PG164100) 將其寫入 DSP dsPIC33EP256MC506。隨後可透過無感測器 FOC 模式下的控制和操作功能，手動控制連接的 BLDC 馬達 (Teknic_M-3411P-LN-08D)。

若馬達運作狀況不理想，或是需要針對不同的運作狀態進行配置，motorBench 也提供可配置的範例檔，但必須在刷寫前進行編譯。如上所述，對 GaN 馬達驅動器來說，有個相當基本但很重要的參數，就是 50 ns 或更短的失效時間，在編譯 HEX 檔案前務必檢查此參數。

BLDC 馬達的自訂參數

為了針對採用 motorBench IDE 的無感測器 FOC 操作配置客製化 BLDC 馬達設定，使用者可測量其特定馬達參數，並在組態檔中輸入相關值。例如可在此將 ISL Products International 的 MOT-I-81542-A 馬達當作測試馬達使用。在 24 V 工作電壓下的功耗為 361 W，每分鐘轉速為 6100 轉 (rpm)。

必須先決定以下四個參數：

歐姆電阻：可透過三用電表在定子線圈端子之間測量
電感：透過三用電表在定子線圈端子之間測量
極對：為了決定極對，設計人員必須將兩個相位設為短路，並將第三個相位保持開路，手動計算一次軸運轉的閂鎖數，然後再將其結果除以二
反電動勢 (BEMF)：使用示波器在定子線圈端子之間測量 BEMF。為了進行測量，設計人員必須：
- 夾住兩條相位引線的探針，並將第三條保持開路
- 手動轉動馬達軸，並記錄電壓回應
- 測量最大正弦半波的峰對峰電壓 A_pp 與週期 T_half 值 (圖 6)。

圖 6：BEMF 的決定方法是測量最大正弦半波的峰對峰電壓 A_pp 與週期 T_half 值。(圖片來源：EPC)