氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)已成为电力电子领域的革命性技术。最初，氮化镓技术是为高频应用(射频)开发的，后来因其性能远超传统硅基半导体，在快速充电解决方案中崭露头角。

作为一种宽禁带半导体，氮化镓具有高电子迁移率，可承受更高电压、工作在更高频率且发热更少。这些特性使其成为紧凑、高效、快速充电解决方案的理想选择，尤其适合智能手机和笔记本电脑等普及设备。

由于市售氮化镓晶体管多为650V耐压规格，它们也非常适合高压电机驱动应用。其核心优势包括更高的功率密度和效率、更低的散热需求以及紧凑的系统设计，从而实现高速精准的电机控制。这对机器人、航天器、电动汽车和无人机等空间受限且能效要求严苛的行业尤为重要。

电机控制用三相逆变器

电压源逆变器(VSI，图1a)是电机驱动系统的核心部件，负责将直流电转换为三相交流电以驱动电机。它由三个桥臂构成，每个桥臂包含两个开关管(上管和下管)，共六个功率器件(如MOSFET、IGBT或氮化镓HEMT)组成桥式结构。

图1

通过控制各桥臂在Vdc与地之间的切换，逆变器在每个开关节点生成调制电压波形。这些电压经电机绕组(或外置低通滤波器)滤波后，产生相位差120°的三相正弦输出电压。逆变器采用脉宽调制技术调节输出电压和频率，从而控制电机转速与扭矩。

三相逆变器的主要要求

逆变器工作时，电荷不可避免地会在开关电容间迁移。MOSFET中这与输出电容相关，而IGBT因反并联二极管的存在机制不同。

为防止桥臂直通(上下管同时导通)，必须设置死区时间确保两管短暂关断。此期间随着能量持续输入电机，电流会流经MOSFET的体二极管或IGBT设计中的外置反并联二极管。

二极管关断需要反向恢复电荷(Qrr)，该过程恰发生在开关管两端电压峰值时，导致开关损耗并降低逆变器整体效率。

氮化镓技术显著提升效率

在电机驱动中，最小化导通和开关损耗对减少能量浪费至关重要。此外，快速开关可提升控制精度、降低谐波失真，而高功率密度和空间限制要求设计紧凑轻量化。

在宽禁带技术设计论坛上，英飞凌科技强调了氮化镓技术的优势。图2对比了影响电机驱动性能的关键参数，分别采用6A IGBT和140mΩ CoolGaN HEMT。

图2

使用650V氮化镓器件时，所有关键参数均得到系统性改善。例如消除Qrr可大幅降低开通损耗(尤其在死区时间结束时)。更低的输入电容减少了驱动损耗，而更低的反向传输电容(Crss，即米勒电容)特别有利于三相逆变器，能降低寄生导通风险从而避免直通。

值得注意的是，氮化镓HEMT还可实现与检测电阻的单片集成及内置短路保护，进一步增强系统可靠性。

高频运行特性

随着开关频率提升，因电缆长度导致的信号反射和电机绕组间电容等因素，电机端会出现高频振荡。这些高频分量仅产生能量损耗(有效转矩仅由基频生成)，可选用低通滤波器抑制。

通过分离高低频分量，提高开关频率可削弱高频包络，从而降低主要取决于电流纹波的高频电机损耗。但过高开关频率会增加逆变器损耗，此时氮化镓晶体管的低功耗优势尤为突出。

最优开关频率选择

以典型3马力高压永磁同步电机为例(320V/12.5A供电，转速1800rpm)。通过对比碳化硅与氮化镓设计的逆变器损耗和高频电机损耗(图3)，总损耗最小化对应的最优开关频率约为20kHz。该频率下运行还能延长电机寿命，是消费级电机驱动的实用选择。

图3

传统硅基技术(IGBT或超结CoolMOS)在300W以下功率级可不使用散热器(需采用智能功率模块或足够大的PCB)。而300-500W范围则需散热片和冷却风扇。采用氮化镓开关时，借助创新封装技术可将无散热器方案扩展至1kW。在1-3kW范围内，氮化镓技术更能实现显著节能，降低散热要求。

无刷电机与CoolGaN评估板

英飞凌开发的评估板采用5×6 ThinPak封装的140mΩ CoolGaN晶体管驱动无刷直流电机。凭借高效率，该系统在1kW功率下无需散热器，最高温度仍低于75℃。

关键工作条件：

1kHz开关频率

10V/ns压摆率

200ns死区时间

2.5A有效值电流

相比6A IGBT，该方案在100%和50%负载下均实现70%的节能。氮化镓更平滑的开关转换还带来更低EMI辐射——尽管其dV/dt更高，但因无反向恢复、更低共模噪声和优化封装，整体EMI仍低于慢速硅器件。关键在于非线性区停留时间缩短，减少了高dV/dt与di/dt相互作用产生辐射EMI的持续时间。

英飞凌表示，其新型集成CoolGaN Drive结合PSoC Control C3微控制器和XENSIV电流传感器，可实现更高功率密度。

双向氮化镓HEMT的未来发展

电流源逆变器(CSI，图1b)需电感维持恒流供电，要求持续导通路径。电流中断会产生高压尖峰，可能损坏电感或其他元件。

CSI拓扑需要能双向阻压但单向导通的开关管。因逆变器拓扑中开关端会承受极性变化的电压，双向阻压能力可确保开关耐受反向电压并隔离电路。传统硅器件需串联笨重二极管来实现双向阻压，而氮化镓HEMT天然支持该功能(通常采用共源配置的双HEMT结构)。

基于氮化镓双向开关的CSI拓扑可工作在更高开关频率，使无源元件更小巧并提升系统效率。这使氮化镓CSI特别适合高性能电机驱动、并网逆变器和航空航天电力电子。

CSI拓扑的优势

CSI在工业大功率电机和可再生能源系统中具有独特优势：

固有短路保护：电感调节直流侧电流，自然限制故障电流

再生制动能力：实现能量回馈直流源

提升电机性能：近似正弦的电流波形减少发热和转矩脉动

降低输出滤波需求：相比VSI谐波失真更小

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