电机驱动中如何使用 GaN 功率器件？

    在广泛使用硅基功率器件之后，很明显，由于其材料特性的限制，它们的能力已经达到了极限。事实证明，提高绩效的努力很困难。为了实现更高的功率转换效率，研究人员开始探索使用氮化镓 (GaN) 半导体。他们发现 GaN 具有宽带隙、高抗电击穿、高抗辐射和高电子饱和速度，使其成为硅基功率器件的有前途的替代品。本文展示了在电机驱动应用中使用 GaN 功率器件的示例。
    氮化镓功率器件通常有两个组件：平面器件 (a) 创建在硅或碳化硅衬底上，垂直器件 (b) 由自支撑衬底上的 GaN 有源层制成。与平面传导装置相比，该装置的垂直结构有几个好处。
    更高的击穿电压：垂直传导器件可以在给定器件尺寸的情况下处理大电流。电场沿垂直方向均匀分布，导致器件导电性更好，击穿电压更高。
    消除电流崩塌效应：垂直器件内的高电场区域有助于减弱表面态的影响并减缓电流崩塌效应，即在施加较大的负栅极电压时漏极电流显着下降。表面也可以用 Si3N4 膜钝化以进一步消除这种影响。
    提高功率密度：垂直器件电场分布均匀，没有尖峰电场，更容易提高功率密度。
    值得注意的是，目前可用的大多数 GaN 功率器件都是基于平面结构的。这是因为准备材料具有挑战性，并且垂直 GaN 器件的制造成本很高。由于晶圆尺寸大、成本低且技术成熟，硅一直是大规模生产的流行基板。目前的GaN功率器件市场分为GaN二极管、GaN高电子迁移率晶体管、Cascode GaN HEMT结构和GaN MOSFET等几类。
    电机驱动中的GaN功率器件
    在研究论文 [3] 中，发现与硅基 IGBT 逆变器相比，常开 GaN HEMT 器件与常关低压硅基 MOSFET 相结合，采用共源共栅配置，可实现更低的开关和传导损耗. 研究表明，在 100 KHz 下运行的 6 合 1 GaN HEMT 器件的开关和传导损耗远低于在 15 KHz 下运行的硅基 IGBT 的损耗。与没有滤波器的电机中的额外损耗相比，这导致更小的输出正弦波和正弦波滤波器中的更低损耗。
    威斯康星大学麦迪逊分校的学生研究了在带有感应电机的集成模块化电机驱动 (IMMD) 系统中使用 GaN 功率 FET [4]。他们提出了一种设计，利用 GaN 功率 FET 的卓越开关性能来减小 IMMD 的尺寸并消除对逆变器散热器的需求，并优化直流链路电容器。他们能够设计出功能齐全的即插即用 IMMD 原型，该原型集成到 190V、5A 感应电机中。
       图 1：使用 GaN 的西门子 Simatic Micro-Drive
    在机器人和工业应用中，设备的尺寸和能效对于创新至关重要。基于 GaN 的功率器件有可能缩小电机驱动器的尺寸和重量。GaN 技术允许高脉宽调制频率和低开关损耗，使其成为驱动低电感永磁电机和无刷直流电机的理想选择。此外，它还减少了伺服驱动器和步进电机中用于定位的扭矩纹波，从而使高速电机能够实现高电压。
    过去，的 GaN 器件制造商合作将基于 GaN 的功率器件集成到驱动技术中。例如，GaN Systems 和西门子合作开发了 Simatic Micro-Drive 产品线，将 GaN Systems 功率半导体整合到一起以实现高功率密度、效率和稳健性。来自西门子技术部的 Andreas Gr?ger 表示，这一挑战为新型半导体带来了电机驱动技术的突破。