【導(dǎo)讀】電池供電的應(yīng)用，如協(xié)作機(jī)器人 (cobot)、電動自行車、工業(yè)無人機(jī)和電動工具等，都需要體積小、重量輕、功能強(qiáng)大的電機(jī)。無刷直流 (BLDC) 電機(jī)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但電機(jī)驅(qū)動電子元件相當(dāng)復(fù)雜，有許多設(shè)計(jì)考慮因素。設(shè)計(jì)人員必須精密調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩、速度和位置，同時(shí)還要確保高精度，并將振動、噪聲和電磁輻射 (EMR) 降到最低。此外，還必須避免使用笨重的散熱器和外部線束，以節(jié)省重量、空間和成本。
電池供電的應(yīng)用，如協(xié)作機(jī)器人 (cobot)、電動自行車、工業(yè)無人機(jī)和電動工具等，都需要體積小、重量輕、功能強(qiáng)大的電機(jī)。無刷直流 (BLDC) 電機(jī)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但電機(jī)驅(qū)動電子元件相當(dāng)復(fù)雜，有許多設(shè)計(jì)考慮因素。設(shè)計(jì)人員必須精密調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩、速度和位置，同時(shí)還要確保高精度，并將振動、噪聲和電磁輻射 (EMR) 降到最低。此外，還必須避免使用笨重的散熱器和外部線束，以節(jié)省重量、空間和成本。
設(shè)計(jì)人員常常面臨的挑戰(zhàn)是，在設(shè)計(jì)要求與時(shí)間和預(yù)算壓力之間做出平衡，同時(shí)避免出現(xiàn)代價(jià)高昂的開發(fā)錯(cuò)誤。為了應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可以利用氮化鎵 (GaN) 等快速、低損耗半導(dǎo)體技術(shù)，以提供驅(qū)動 BLDC 電機(jī)所需的功率級。
本文討論了基于 GaN 的功率級的相對優(yōu)勢，并介紹了 EPC 的一款以半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的樣本器件。文中還說明了如何使用相關(guān)開發(fā)套件來快速啟動項(xiàng)目。在此過程中，設(shè)計(jì)人員將了解到如何利用 Microchip Technology 的 motorBench 開發(fā)套件，以最小的編程工作量測量 BLDC 電機(jī)的參數(shù)，并在無傳感器磁場定向控制 (FOC) 模式下操作電機(jī)。
GaN 的優(yōu)勢
為了高效控制電池應(yīng)用中的 BLDC 電機(jī)，開發(fā)人員需要一種高能效、輕量化、外形尺寸較小的驅(qū)動級，可以放在盡可能靠近致動器的地方，例如放在電機(jī)外殼內(nèi)。
絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 穩(wěn)固耐用，可以在最大 200 kHz 的頻率下切換高達(dá) 100 MW 的高功率，但不適合必須在高達(dá) 80 V 電壓下對電池充電進(jìn)行管理的設(shè)備。高接觸電阻、續(xù)流二極管和開關(guān)損耗，以及關(guān)斷期間的電流拖尾，所有這些因素的組合會導(dǎo)致信號失真、發(fā)熱過多和雜散輻射。
與 IGBT 相比，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗和電阻損耗更低，但其柵極電容需要強(qiáng)大的柵極驅(qū)動器才能在高開關(guān)頻率下工作。能夠在高頻率下工作很重要，因?yàn)檫@意味著設(shè)計(jì)人員可以使用更小的電子元器件，從而減少整體空間需求。
GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 具有高載流子遷移率，能夠以極快的速度和低損耗建立和擊穿半導(dǎo)體結(jié)。集成 GaN 驅(qū)動器（如 EPC 的 EPC23102ENGRT）開關(guān)損耗極低，開關(guān)頻率則很高，支持實(shí)現(xiàn)緊湊的器件設(shè)計(jì)，適合極為狹小的空間。這款單片芯片包含一個(gè)帶有電平位移器的輸入邏輯接口、自舉加載電路和柵極驅(qū)動電路，以半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制 GaN 輸出 FET（圖 1）。芯片封裝經(jīng)過優(yōu)化，具有高散熱性能和低寄生電感。
圖 1：EPC23102 包含控制邏輯、電平位移器、柵極驅(qū)動器和半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 GaN 輸出 FET（左）。芯片封裝（右）經(jīng)過優(yōu)化，具有高散熱性能和低寄生電感。（圖片來源：EPC）
更少的廢熱和更低的 EMR
EPC23102 輸出晶體管的典型漏源導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 為 5.2 mΩ（25°C 時(shí)）。該晶體管可處理高達(dá) 100 V 的電壓和最大 35 A 的電流。此外，GaN 器件的橫向結(jié)構(gòu)和無本征體二極管特性，使得柵極電荷 (QG) 和反向恢復(fù)電荷 (QRR) 特別低。
與具有類似 RDS(on) 的 MOSFET 器件相比，GaN 驅(qū)動器的開關(guān)損耗最多可降至前者的五分之一。因此，基于 GaN 的逆變器可以在相對較高的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 頻率（最高可達(dá) 3 MHz）和較短的空載時(shí)間（小于 50 ns）下運(yùn)行。
GaN 半導(dǎo)體的開關(guān)速度 (dV/dt) 高、溫度系數(shù)低且采用更小寄生電感的封裝設(shè)計(jì)，最大程度減少了信號失真，進(jìn)而最大程度減少了 EMR 和開關(guān)損耗。這樣就降低了對濾波策略的需求，而較小的低成本電容器和電感器則能節(jié)省電路板空間。
除了低接觸電阻 RDS(on) 外，GaN 器件還有其他優(yōu)勢，例如 GaN 基底具有高導(dǎo)熱率、器件封裝具有很大的熱接觸面積，所有這些優(yōu)勢使得 GaN 功率級能夠在沒有散熱器的情況下切換高達(dá) 15 A 的電流（圖 2）。
圖 2：GaN 功率級在 25.5°C 環(huán)境溫度和不同 PWM 頻率下的溫升與相電流的關(guān)系。（圖片來源：EPC）
EPC23102 還具有將電壓從低壓側(cè)轉(zhuǎn)換到高壓側(cè)通道的穩(wěn)健電平轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于在軟切換和硬切換情況下工作，甚至可在高負(fù)端電壓下工作，并避免快速 dV/dt 瞬變（包括來自外部源或相鄰相位的瞬變）造成誤觸發(fā)。內(nèi)部電路集成了邏輯和自舉電源充電及禁用功能。當(dāng)供電電壓過低甚至失效時(shí)，保護(hù)功能可防止輸出 FET 意外導(dǎo)通。
即用型電機(jī)逆變器評估套件
要調(diào)試采用 GaN 技術(shù)的三相 BLDC 電機(jī)，最簡單、最快捷的方法是使用 EPC 的 EPC9176KIT 電機(jī)逆變器評估套件。該套件由 EPC9176 電機(jī)逆變器板和 DSP 控制器板組成，還包括一個(gè)簡易的 EPC9147E 控制器插件適配器，用于通過客戶特定的主機(jī)控制器進(jìn)行控制。耦合連接器傳輸以下信號：3 × PWM、2 × 編碼器、3 × Uphase、3 × Iphase、UDC、IDC和 2 × 狀態(tài) LED。
EPC9176 電機(jī)逆變器板是參考設(shè)計(jì)，為公司內(nèi)部電路設(shè)計(jì)提供了便利，而 EPC9147A 控制器板與 Microchip Technology 的 motorBench 開發(fā)環(huán)境一起使用時(shí)，用戶無需花時(shí)間編碼或編程就能快速啟動并運(yùn)行應(yīng)用。
該三相 BLDC 電機(jī)逆變器集成了三個(gè) EPC23102 GaN 半橋驅(qū)動器，以控制交流或直流電機(jī)和 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器。最大 RDS(on) 為 6.6 mΩ，在高達(dá) 28 A 峰值 (Apk) 或 20 A rms (ARMS) 的負(fù)載電流和高達(dá) 100 V 的開關(guān)電壓下持續(xù)工作時(shí)，功率級造成的熱損耗非常小。配置為多相 DC/DC 轉(zhuǎn)換時(shí)，EPC23102 支持高達(dá) 500 kHz 的 PWM 開關(guān)頻率；對于電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，開關(guān)頻率最高可達(dá) 250 kHz。
尺寸為 8.1 × 7.5 cm 的 EPC9176 電機(jī)逆變器板包含支持完整電機(jī)逆變器所需的所有關(guān)鍵功能電路，包括直流總線電容器、柵極驅(qū)動器、穩(wěn)定輔助電壓、相電壓、相電流和溫度測量，以及針對每相的保護(hù)功能和可選的諧波或 EMR 濾波器（圖 3）。
圖 3：EPC9176 電機(jī)逆變器具有直流總線電容器、柵極驅(qū)動器、穩(wěn)壓器、電壓檢測功能、電流和溫度保護(hù)功能以及 EMR 濾波器。（圖片來源：EPC）
該三相 GaN 逆變器在 14 至 65 VDC 的輸入電壓下工作，切換時(shí)不會過沖，因此轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，運(yùn)行噪聲極小。該板針對低于 10 V/ns 的 GaN 典型高速開關(guān)斜坡進(jìn)行了優(yōu)化，并且可以選擇降低此開關(guān)斜坡以操作 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。此外，還可以連接兩個(gè)以不同電平工作的轉(zhuǎn)子位置傳感器（霍爾傳感器）。
無振動的轉(zhuǎn)矩和低運(yùn)行噪聲
下面通過三相 BLDC 電機(jī)的一個(gè)實(shí)施實(shí)例展示空載時(shí)間參數(shù)化對電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行和由此產(chǎn)生的噪聲的影響。對于基于 GaN FET 的半橋，其高壓側(cè)和低壓側(cè) FET 的開關(guān)轉(zhuǎn)換鎖定時(shí)間可以選擇為非常短，因?yàn)?GaN HEMT 的響應(yīng)速度極快，不像較慢的 MOSFET 那樣會產(chǎn)生寄生過沖。
圖 4（左）顯示了一款 GaN 逆變器以 500 ns 的 MOSFET 典型空載時(shí)間和 40 kHz 的 PWM 頻率工作。本應(yīng)是平穩(wěn)的正弦相電流卻顯示出極高的失真，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩紋波和相應(yīng)的噪聲非常高。在圖 4（右）中，空載時(shí)間降至 50 ns，所得到的正弦相電流使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，噪聲非常小。
圖 4：500 ns 的空載時(shí)間和 40 kHz 的 PWM 頻率（左）（MOSFET 的典型情況）造成相電流發(fā)生高失真，導(dǎo)致高轉(zhuǎn)矩紋波和高噪聲級。當(dāng)空載時(shí)間為 50 ns 時(shí)（右），得到一個(gè)正弦相電流，使得電機(jī)以低噪聲平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。（圖片來源：EPC）
更小的相電流紋波還意味著定子線圈的磁化損耗更低，而相電壓紋波越小，則分辨率越高，對轉(zhuǎn)矩和速度的控制就越精確，對于小型設(shè)計(jì)中使用的低電感電機(jī)更是如此。
對于需要更大功率的電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，有兩款 GaN 逆變器板可供選擇：EPC9167HCKIT (1 kW) 和 EPC9167KIT (500 W)。兩者均使用 EPC2065 GaN FET，其最大 RDS(on) 為 3.6 mΩ，最大器件電壓為 80 V。EPC9167 板在每個(gè)開關(guān)位置使用一個(gè) FET，而 EPC9167HC 有兩個(gè) FET 并行工作，提供最大 42 Apk (30 ARMS) 的輸出電流。EPC2065 GaN FET 在電機(jī)控制應(yīng)用中支持高達(dá) 250 kHz 的 PWM 開關(guān)頻率，在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中支持最高 500 kHz 的開關(guān)頻率。
EPC9173KIT 中的逆變器板可提供更高的功率 — 最高 1.5 kW。該板構(gòu)成兩個(gè)單通道 EPC23101ENGRT GaN 柵極驅(qū)動器 IC（只有一個(gè)集成高壓側(cè)功率 FET）的半橋分支。該板可擴(kuò)展為降壓、升壓、半橋、全橋或 LLC 轉(zhuǎn)換器。在有適當(dāng)散熱措施的情況下，它可提供高達(dá) 50 Apk (35 ARMS) 的輸出電流，能以高達(dá) 250 kHz 的 PWM 開關(guān)頻率工作。
幾分鐘內(nèi)啟動并運(yùn)行驅(qū)動級
不必編程就能評估 EPC9176 GaN 逆變器板的最快速方法是使用 EPC9147A 控制器接口板。插件模塊 (PIM) MA330031-2 包含 Microchip Technology 的 16 位 DSP dsPIC33EP256MC506-I-PT（圖 5）。
圖 5：EPC9147A 通用控制器接口卡支持各種插件模塊，如基于 16 位 dsPIC33EP256 DSP 的 MA330031-2 PIM。（圖片來源：EPC/Microchip Technology）
為了方便操作 DSP 控制器接口，設(shè)計(jì)人員可以使用 motorBench 開發(fā)套件，并且須為其添加：
1、MPLAB X IDE_V5.45 和推薦更新
2、代碼配置器插件（DSP 特定的編譯）
3、motorBench 插件 2.35（電機(jī)示例）
本討論中的示例使用 EPC9146 GaN 電機(jī)逆變器板，因此：
4、從針對 EPC914xKIT 的 MCLV-2 或 EPC 項(xiàng)目開始，其名稱為“sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X”
用戶可以簡單選擇 EPC9146 GaN 電機(jī)逆變器板的樣本十六進(jìn)制文件，并使用編程適配器（如 Microchip Technology 用于 16 位微控制器的 PG164100）將其燒寫到 DSP dsPIC33EP256MC506。然后便可通過控件手動控制所連接的 BLDC 電機(jī) (Teknic_M-3411P-LN-08D)，并在無傳感器 FOC 模式下運(yùn)行。
如果電機(jī)運(yùn)行不理想或需要配置成其他工作狀態(tài)，motorBench 還提供了一個(gè)可配置的樣本文件，燒寫該文件之前須進(jìn)行編譯。如上所述，GaN 電機(jī)驅(qū)動器的一個(gè)基本但重要的參數(shù)是空載時(shí)間，須為 50ns 或更小，在編譯 hex 文件之前務(wù)必檢查此參數(shù)。
BLDC 電機(jī)的自定義參數(shù)
要利用 motorBench IDE 定制 BLDC 電機(jī)配置以實(shí)現(xiàn)無傳感器 FOC 工作，用戶可以測量其電機(jī)的參數(shù)，并在配置文件中輸入相關(guān)的值。例如，ISL Products International 的 MOT-I-81542-A 電機(jī)可以作為這里的測試電機(jī)。該電機(jī)在 24 V 電壓下以 6100 rpm 的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，功耗約為 361 W。
首先必須確定以下四個(gè)電機(jī)參數(shù)：
· 歐姆電阻：用萬用表在定子線圈端子之間測量
· 電感：用萬用表在定子線圈端子之間測量
· 極對：要確定極對，設(shè)計(jì)人員必須將兩相短路，讓第三相開路，然后手動計(jì)算軸轉(zhuǎn)一圈的閂鎖數(shù)量，再將結(jié)果除以 2
· 反電動勢 (BEMF)：用示波器在定子線圈端子之間測量。為此，設(shè)計(jì)人員必須：
· 將探頭夾在兩條相線上，第三條相線斷開
· 用手轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，并記錄電壓響應(yīng)
· 測量最大正弦半波的峰間電壓 App 和周期 Thalf（圖 6）。
圖 6：通過測量最大正弦半波的峰間電壓 App 和周期 Thalf 來確定 BEMF。（圖片來源：EPC）
參考上述項(xiàng)目示例，Microchip 為 Teknic M-3411P-LN-08D 電機(jī)（8.4 ARMS、八極、轉(zhuǎn)矩 = 1 Nm、額定功率為 244 W）確定了以下參數(shù)：
· App = 15.836 Vpp
· Thalf = 13.92 ms
· 極對：pp = 4
· 然后，Microchip 利用公式 1 計(jì)算 BEMF 常數(shù) (1000 rpm = 1 krpm)：
公式 1
對于此示例電機(jī)
（motorBench 使用 10.2 的值）
· RL-L = 800 mΩ 線對線電阻，減去 LCR 儀表引線的 100 mΩ
· 本例中使用 Ld = Lq = 1 mH，盡管測量結(jié)果為 932 μH
將確定的參數(shù)輸入到 motorBench 的子菜單 Configure/PMSM Motor（配置/PMSM 電機(jī)）。為此，設(shè)計(jì)人員可以簡單地使用類似電機(jī)類型的 XML 配置文件，或者將參數(shù)輸入到新建的（空）配置文件，然后通過“Import Motor”（導(dǎo)入電機(jī)）按鈕導(dǎo)入。
總結(jié)
GaN 電機(jī)驅(qū)動器 IC 具有高能效特點(diǎn)，適用于小尺寸、輕量化電池供電的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器。這些 IC 集成于電機(jī)外殼中，得到良好的保護(hù)，簡化了器件設(shè)計(jì)和安裝，并減少了維護(hù)工作。
在參考電路、基于模型的預(yù)編程 DSP 控制器和電機(jī)開發(fā)環(huán)境的支持下，BLDC 電機(jī)應(yīng)用的設(shè)計(jì)和編程人員可以縮短電路設(shè)計(jì)時(shí)間，更加專注于應(yīng)用開發(fā)。
(作者：Jens Wallmann)
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