完全保护的半桥功率 IC 支持电机集成逆变器
发布日期:2024-01-02
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电机驱动消耗了欧洲近 50% 的电力 [1]。因此，各国政府制定了法规和标准，以确保尽可能高效地消耗电力，同时将对供电网的影响和中断降至。变速驱动器 (VSD) 现在在行业中很常见，因为与老式恒速感应电机相比，它们可减少高达 90% 的能源使用量 [2]，同时具有减小电机尺寸、提高动态性能和可靠性等额外优势。
IEC 61000 等标准的制定是为了在电气设备的抗扰度和辐射方面支持供电网，因为电机驱动器带来的大型感性负载会显着影响本地电网的稳定性。为了满足这些标准，电机驱动系统中采用了各种技术，包括有源功率因数校正 (PFC)，它将失真波调制回正弦波，以限度地提高电网供应的有功功率。
GaN 提高了性能和成本
氮化镓 (GaN) 是一种宽带隙半导体，与旧的硅半导体相比，具有卓越的特性，包括开关速度提高 20 倍、功率密度提高 3 倍以上的能力。将 GaN 功率器件应用到 PFC 和逆变器级电机驱动系统中可显着降低功率损耗和尺寸，从而实现逆变器与电机的集成。本文详细介绍了 Navitas 创建的 400 W 电机集成逆变器参考设计。
GaN FET 不具有任何反向恢复电荷，可实现极快的开关速度，开关损耗比硅 IGBT 和 MOSFET 低 4-5 倍，总功率损耗降低约 50%。功率的降低意味着设备散发的热量减少，从而可以减小散热器的尺寸，甚至在低功率驱动器中消除散热器。2021 年，散热器级机加工铝的成本达到 13 年来的水平，价格约为 8 美元/公斤，因此限度地减少散热器需求可以显着节省系统总成本。此外，由于系统重量减轻，运输成本也降低。
极低的开关损耗和无反向恢复相结合，为开关频率以及 VSD 的热设计提供了新的自由度。电机集成逆变器的工作条件很困难，除了振动和强磁场之外，环境温度可能相当高，使得功率半导体的冷却变得棘手，因此从不会产生大量电流的电源开关开始。热首先。
集成提高了电机驱动器的效率、控制和鲁棒性
GaNSense 技术将 GaN 电源的性能与驱动器、保护和动态传感功能集成在一起，使其成为高可靠性电机驱动应用的理想选择。优化的栅极驱??动电路以及相关的稳压器和过温、过流检测等保护电路具有自主的自我保护能力。所有这些功能都完全集成，从而实现了卓越的性能和的可靠性。输入信号可以通过简单的数字信号进行控制，从而消除了外部元件并减少了 PCB 面积。这对于紧凑型电机驱动器非常有利，因为完整的电子系统可以安装在电机外壳中。
图 1. 采用 Navitas 的 GaNSense 技术的完全集成 GaNFast IC 的简化框图。图片由博多电力系统提供 [PDF]
与分立式硅或分立式 GaN 方法相比，GaNSense? 技术只需 30 ns 即可“检测和保护”，比硅或分立式 GaN 快 6 倍，从而提高了系统级可靠性。更多详细信息请参见应用笔记 AN015。
与散热器上传统的低精度温度传感器相比，电源开关上集成的温度控制可提供更高的精度和实时感测。这对于不易维修的电机集成驱动应用至关重要，尤其是在工业环境中，需要的可靠性和正常运行时间。内置的过温保护电路会在超过设定温度时关闭GaN IC，从而实现对系统的快速保护。
GaNSense 技术中的无损电流感测优势消除了对大型且昂贵的分流电阻器的需求，从而显着减小了系统尺寸和成本，同时保持了快速过流保护，以实现工厂自动化工业电机驱动器所需的系统鲁棒性。
此外，组件总数减少，从而显着降低 FIT（及时故障）率并提高系统可靠性。Navitas 近宣布为其产品提供 20 年有限保修，这在业界尚属首次，凸显了其卓越的可靠性。
Navitas 正在推出半桥拓扑的全系列 GaN 功率 IC，如表 1 所示。由于存在多个具有不同 RDSON 值且引脚兼容的不同 GaN 功率半桥 IC，因此该设计可以轻松扩展或权力下降。
表 1. Navitas 半桥拓扑的 GaN 功率 IC 产品组合
NV6247半桥650800160/160PQFN 6x8生产
NV6245C半桥275/275PQFN 6x8工程
所有新型半桥产品均采用节省空间的 PQFN 封装，可实现与 PCB 的良好热连接以及低寄生电感和电阻，并表现出与 Navitas 单电源开关相同的稳健性和可靠性，特别是高瞬态电压能力（ 650V 连续，800V 瞬态）。它们享受近宣布的 20 年保修。有关产品性能和稳健性的更多信息，请参阅其各自的数据表 [3] 和 www.navitassemi.com [5] 上的专用应用说明 AN-018。
电机集成逆变器参考设计
半桥拓扑中 GaN 功率 IC 的可用性使得能够实现非常紧凑的电机逆变器，如图 2 所示。
该逆变器由 Navitas 的三个半桥 GaN 功率 IC（新型 NV6247）组成。它包含输入逻辑、电平转换器、稳压器和栅极驱动器、电流和温度检测电路以及自举电源。因此，外部元件数量非常少。
逆变器三个支路之一的示意图如下图 3 所示。所示为第二相电路，所有三相均相同。主要组件是 NV6247，集成了半桥配置中的两个功率开关、栅极驱动器及其稳压器以及标记为“PWM”的输入逻辑。内置自举电路用于向高侧驱动器提供栅极驱动电源。还包括一个电平转换器，以便输入信号可以接地为参考，使该器件成为真正意义上的数字可控功率级。
图 2. 带有 400W 电机逆变器功率级的圆形 PCB，连接到 BLDC 电机的背面，直径为 56mm。图片由博多电力系统提供 [PDF]
此外，还包括多种传感功能。首先，流经内部低侧 GaN 功率 FET 的电流在内部被感测，然后在电流感测输出引脚 (CS) 处转换??为电流。其次，结温通过栅极驱动器上的电路进行感测，并在过热时用于关闭电源开关。
IC 引脚包括高侧 GaN 功率 FET 的漏极（VIN，连接到 VBUS）、半桥中点开关节点（VSW，连接到 PHB）、低侧 GaN 功率 FET 的源极和IC GND (PGND)、低侧 IC 电源 (VCC)、低侧栅极驱动电源 (VDDL)、低侧导通 dV/dt 控制 (RDDL)、低侧 5V 电源 (5VL)、低侧侧参考 PWM 输入（INL、INH）、低侧电流检测输出（CS）、自动待机使能输入（/STBY）、高侧电源（VB）、高侧栅极驱动电源（VDDH）和高侧侧 5V 电源 (5VH)。IC 周围的外部低侧元件包括连接在 VCC 引脚和 PGND 之间的 VCC 电源电容（CVCC）、连接在 VDDL 引脚和 PGND 之间的 VDDL 电源电容（CVDDL）、连接在 VDDL 之间的导通 dV/dt 设置电阻（RDDL）引脚和 RDDL 引脚，连接在 CS 引脚和 PGND 之间的电流检测幅度设置电阻（RSET），连接在 5VL 引脚和 PGND 之间的 5V 电源电容器（C5VL），以及连接到 PGND 以启用自动待机模式的自动待机使能引脚（/STBY）或连接到5VL 禁用自动待机模式。IC 周围的外部高边元件包括连接在 VB 引脚和 VSW 之间的 VB 电源电容器（CVB）、连接在 VDDH 引脚和 VSW 之间的 VDDH 电源电容器（CVDDH）以及连接在 5VH 引脚和 VSW 之间的 5V 电源电容器（C5VH）。必须仔细选择高侧 VB、5VH 和 VDDH 旁路电容器，以适应各种系统考虑因素，例如高侧唤醒时间、高侧保持时间和待机功耗。右侧可以看到 VBUS 阻挡帽，PCB 允许使用薄膜或电解帽。它们的目的是抑制由于电源和开关动作中的寄生电感而可能发生的任何类型的振铃，因为该板是为直流输入而设计的。，R17 和 C18 可用于抑制交换机节点上的振铃，因为它可能是由长电缆及其电感引起的，并且是可选的。
值得注意的是，电源开关的开关速度可以通过外部电阻器（本例中为 R7）进行调整。虽然降低开关速度确实会增加开关损耗，但影响并不大，因为开关损耗本来就非常低。这样，开关速度就可以根据电机的需要进行调整，并且可以调整产生的 EMI 以符合所有要求的法规，并且可以缩小 EMI 滤波器组件的尺寸。50Ω 的值是一个很好的起点。
图 3. 三个逆变器支路之一的原理图，显示除了 GaN 功率 IC 之外，只需要很少的外部组件。图片由博多电力系统提供 [PDF]
CS 引脚 (R8) 上的电阻器可根据微控制器及其 ADC 输入的需要进行设置，以适当缩放电压。然而，如果该引脚上的电压超过1.9V，则会触发过流保护。需要注意的是，CS引脚上电阻的选择会影响功率级中电流对应的电压以及过流保护。
自动待机模式旨在降低 NV6247 在不切换时的功耗。如果在超过约 90 ?s 的时间内没有检测到更多输入脉冲，IC 将自动进入低功耗待机模式。这将禁用栅极驱动器和其他内部电路，并将 VCC 电源电流降低至较低水平。当INL脉冲重新启动时，IC将在INL输入的个上升沿延迟（通常约为450ns）后唤醒，并再次进入正常工作模式。
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