如何使用 GaN 功率元件打造優異的中階馬達逆變器

業界追求更有效率地使用能源、施行更嚴格的法規，以及改善散熱運作帶來的技術裨益，這些因素皆促使近期的計畫趨勢為朝向降低電動馬達耗電量。業界廣泛採用諸如矽 MOSFET 等切換式技術，其有時無法滿足在關鍵逆變器應用中針對效能與效率，日趨嚴苛的目標。

不過，設計人員可選擇改用氮化鎵 (GaN) 達成這些目標，這是一種寬能隙 (WBG) FET 元件技術，在成本、效能、可靠性和易用性方面有所演進與改良。GaN 元件現已是業界主流，且是中階功率等級逆變器產品的首選。

本文將探討 Efficient Power Conversion Corporation (EPC) 推出的新一代 GaN 型 FET 如何造就高效能馬達逆變器。設計人員可運用評估板，協助熟悉 GaN 元件特性並加速設計作業。

什麼是逆變器？

逆變器用於建立和調節驅動馬達的功率波形，有時屬於無刷 DC (BLDC) 類型。逆變器負責控制馬達速度和扭矩，以達到順暢的啟動與停止、反向運動和加速率等要求。還必須確保在負載變化下，達到並維持所需的馬達效能。

請注意，具備變頻輸出的馬達逆變器不應與 AC 線路逆變器混淆。後者會從車用電池等來源取得 DC，以提供固定頻率的 120/240 VAC 波形，其近似正弦波且可用來為線路操作元件供電。

GaN 的優勢為何？

相較於矽元件，GaN 元件有許多吸引人的屬性，包括更高的切換速度、更低的汲極-源極導通電組 (R_DS(ON))，以及更優異的熱效能。GaN 元件具有較低的 R_DS(ON)， 因此可用於更小、更輕的馬達驅動器，並可為電動腳踏車和無人機等應用領域，降低功率損耗、節能、節省成本。較低的切換損耗則可提高馬達驅動器效率，進而延伸輕型電動車 (EV) 的續航里程。更快的切換速度可提供低延遲馬達回應，對於機器人等需要精準馬達控制的應用而言不可或缺。GaN FET 亦可用於開發更強大且更有效率的堆高機馬達驅動器。GaN FET 具備更高的電流處理能力，因此適用於更大且功能更強的馬達。

針對終端應用，GaN FET 提供的裨益在於縮減尺寸與重量、提高功率密度與效率，以及改善熱效能。

開始使用 GaN

任何採用電源切換元件的設計 (特別是針對中階電流與電壓)，必須格外留意元件的細節與專屬特性。GaN 元件具有兩個內部結構選項：空乏模式 (d-GaN) 與增強模式 (e-GaN)。d-GaN 開關通常會「導通」，且需要施加負電壓；其電路設計較複雜。相反之，e-GaN 開關通常會「關斷」，因此可簡化電路架構。

GaN 元件本質上為雙向，一旦元件上的逆向電壓超過閘極閾值電壓，即會開始導通。進一步而言，由於其設計不支援突崩模式操作，因此具有充足的電壓額定值非常重要。在匯流排電壓最高 480 V 的升壓、降壓以及橋接 DC 轉換拓撲，600 V 額定值通常夠用。

GaN 開關具備簡易的基本開／關電源切換功能，但其為功率元件，因此設計人員必須謹慎考量開啟與關閉驅動器的需求、切換時間、佈局、寄生效應的影響、電流控制，以及電路板上的電流-電阻 (IR) 壓降。

對許多設計人員而言，若要瞭解 GaN 元件的用途及其使用方式，最有效率的方式即是善用評估套件。這些套件會在不同的設定與功率等級中，使用一個與多個 GaN 元件。此外還包括各種相關被動元件，例如電容、電感、電阻、二極體、溫度感測器、防護元件和連接器。

首先說明低功率元件

EPC2065 是低功率 GaN FET 的良好範例之一。其具備 80 V 的汲極-源極電壓 (V_DS)、60 A 的汲極電流 (I_D)，以及 3.6 mΩ 的 R_DS(ON)。僅供應含焊條的鈍化晶粒形式，尺寸為 3.5 × 1.95 mm (圖 1)。

圖 1：80 V、60 A EPC2065 GaN FET 是含有完整焊條的鈍化晶粒元件。(圖片來源：EPC)

EPC2065 與其他 GaN 元件相同，採用橫向結構和多數載子二極體，因此產生的總閘極電荷 (Q_G) 極低，且無逆向復原電荷 (Q_RR)。這些屬性使其非常適合需要極高切換頻率 (最高可達數百 kHz) 和低導通時間的使用情境，以及由導通狀態損耗主導的使用情境。

這些元件由兩款類似的評估套件支援：適用於 20 A/500 W 作業的 EPC9167KIT，以及適用於 20 A/1 kW 作業的高功率 EPC9167HCKIT (圖 2)。這兩種評估套件皆為三相 BLDC 馬達驅動逆變器板。

圖 2：顯示 EPC9167 板的底部 (左) 與頂端 (右)。(圖片來源：EPC)

基本 EPC9167KIT 設定在每個開關位置使用一個 FET，且可提供最高 15 A_RMS (標稱值) 和 20 A_RMS (峰值) 的每相位電流。比較之下，高電流 EPC9167HC 設定在每個開關位置使用兩個並聯 FET，且可提供最高 20 A_RMS/30 A_RMS (標稱值／峰值) 的最大輸出電流，因此可相對輕鬆地設定並聯 GaN FET，產生更高的輸出電流。圖 3 顯示基本 EPC9167 板的方塊圖。

圖 3：顯示 BLDC 驅動器應用的基本 EPC9167 板方塊圖；高功率 EPC9167HC 的每個開關具備兩個並聯 EPC2065 元件，而低功率 EPC9167 的每個開關僅具備一個 FET。(圖片來源：EPC)

EPC9167KIT 包含支援完整馬達驅動逆變器的所有關鍵電路，包括閘極驅動器、適用於內部管理電源供應器的穩壓輔助電軌、電壓感測、溫度感測、電流感測和保護功能。

EPC9167 可與各種相容控制器搭配使用，且受各製造商支援。只要運用現有資源即可將其快速設定為馬達驅動逆變器或 DC-DC 轉換器，以便快速開發。原用於提供多相 DC-DC 轉換，在馬達驅動器應用中支援最高 250 kHz 的脈寬調變 (PWM) 切換頻率；針對非馬達 DC-DC 應用，其操作頻率可達 500 kHz。

選擇高功率

功率處理範圍的另一端為 EPC2302，此 GaN FET 額定值為 100 V/101 A，且 R_DS(ON) 僅 1.8 mΩ 。非常適合 40 至 60 V 以及 48 V BLDC 馬達驅動器的高頻率 DC-DC 應用。與適用於 EPC2065 且採用焊條封裝的鈍化晶粒不同，此 GaN FET 外殼採用尺寸為 3 × 5 mm 的低電感 QFN 封裝且頂端暴露，提供卓越的熱管理效能。

外殼頂端的熱阻偏低，每瓦僅 0.2°C，可提供卓越的熱效能並緩解冷卻難題。頂端暴露設計可強化頂端的熱管理效能，可潤濕側翼設計確保在迴流焊接流程中使用焊料潤濕完整側墊表面。如此可保護銅材並且可在此外部側翼區域執行焊接，輕鬆進行光學檢驗。

EPC2302 覆蓋區不到業界最佳 MOSFET 尺寸的一半，且具備類似的 R_DS(on) 和電壓額定值，同時其 Q_G 和 Q_GD 明顯較小，且其 Q_RR 值為零。這可降低切換損耗與閘極驅動損耗。EPC2302 以小於 10 ns 的短暫失效時間操作，可達到更高的效率，而其零值 Q_RR 有助於增加可靠性並將電磁干擾 (EMI) 減至最小。

若要執行 EPC2302，EPC9186KIT 馬達控制器／驅動器電源管理評估板支援最高 5 kW 的馬達，並可提供最高 150 A_RMS 和 212 A_PEAK 最大輸出電流 (圖 4)。

圖 4：顯示適用於 EPC2302 的 EPC9186KIT 5 kW 評估板頂端 (左) 和底部 (右)。(圖片來源：EPC)

為了達到此更高的電流額定值，EPC9186KIT 針對每個開關位置使用四個並聯 GaN FET，此方式能輕鬆達到更高電流位準。此板針對馬達驅動應用支援最高 100 kHz 的 PWM 切換頻率，且包含支援完整馬達驅動逆變器的所有關鍵功能，包括閘極驅動器、穩壓輔助內部管理電源供應器、電壓與溫度感測、準確電流感測和保護功能。

結論

馬達逆變器是基本電源與馬達間的關鍵連結。設計尺寸更精巧、效率和效能更高的逆變器，已是日趨重要的業界目標。雖然設計人員在為中階逆變器選擇關鍵電源切換元件時有眾多製程技術選項，但 GaN 元件 (例如 EPC 的 GaN) 是首選。