氮化镓(GaN)功率器件正在推动新一代高效率、高功率密度电机驱动系统的发展。与传统硅基mosfet相比，GaN晶体管的栅极电荷显著更低，输出电容减小，导通电阻极低，使得功率转换器能够在更高的开关速度下工作。因此，基于GaN技术的电机逆变器可实现远高于100 kHz的开关频率，同时降低导通损耗和开关损耗。这些特性使得无源元件更小、效率更高、系统设计更紧凑。

除了提高效率外，GaN器件的快速开关速度还能实现更高带宽的电机控制和更好的动态性能。但GaN开关节点的电压快速变化带来了新的设计挑战。高dv/dt开关边沿会影响测量电路、控制电子系统和电磁行为。这意味着必须非常仔细地进行系统级设计和布局[1]。

在实际电机驱动系统中，工程师必须评估实际工作条件下的电流检测精度、保护响应时间、控制环路稳定性、电磁行为和热性能。这些方面对于在电机逆变器应用中采用GaN技术确保可靠运行至关重要。

为了支持这一开发过程，通常会使用专用的评估平台。本研究考虑了两款基于100V 750μΩ EPC2361、由宜普电源转换公司(EPC)开发用于三相电机逆变器应用的评估板：EPC91202和EPC9186HC2/HC3。EPC91202平台能够在相对简单的逆变器配置中评估EPC2361，适用于分析器件本身的开关和导通性能。相比之下，EPC9186HCx平台作为参考设计，允许在每个开关位置并联多个器件，从而能够研究更高电流的运行情况以及GaN电机驱动架构中器件并联相关的设计考量。

GaN电机驱动评估平台

宽禁带器件(如GaN晶体管)显著影响现代电机逆变器系统的行为。由于其高电子迁移率和低寄生电容，GaN FET比传统硅MOSFET具有更快的开关转换速度。这些特性使得电机逆变器能够在保持高效率的同时，以更高的开关频率工作。

器件的开关功率损耗可近似为：

Psw ≈ 0.5 · VDS · ID · (tr + tf ) · fsw

其中VDS是器件电压，ID是电流，tr和tf是电压上升和下降时间，fsw是开关频率。

由于GaN器件显著降低了tr和tf，即使开关频率增加，开关损耗仍然可控。这使得电机驱动器可以在100–150 kHz范围内工作，从而降低电流纹波，缩小无源元件尺寸，并实现更快的控制环路。

诸如EPC9186和EPC91202等评估平台为基于GaN的三相电机逆变器系统提供了实用的参考实现。这两个平台都集成了完整逆变器级的关键元件，包括栅极驱动器、检测电路和保护功能，能够在真实的电机驱动工作条件下研究GaN器件的行为。虽然两块板都实现了完整的三相逆变器拓扑结构，但它们在电流能力和开关频率方面针对不同的工作范围，因此适用于探索基于GaN的电机驱动架构中的不同设计方法。

EPC9186HC2/HC3 大电流评估平台

EPC9186HC2/HC3是一款三相无刷直流(BLDC)逆变器评估板，旨在展示100V增强型eGaN FET在电机驱动应用中的性能。该板集成了三相逆变器所需的完整功率级，能够在电机控制系统中快速评估GaN器件。

逆变器级采用EPC2361 eGaN FET，以三相桥式配置实现。每个开关位置并联多个器件以支持大电流能力，同时保持非常低的有效导通电阻。该板包含电机逆变器评估所需的关键功能模块：集成栅极驱动器、相电流检测、电压监测、监控管理、电源和保护电路。

这些功能使得EPC9186HC2/HC3平台在连接到外部控制器时可以作为独立的逆变器级运行。相电流检测支持实现先进的控制技术，如磁场定向控制(FOC)。由于其高电流能力和集成的检测功能，EPC9186HC2/HC3板为评估基于GaN的电机驱动架构(包括效率、电流测量行为和保护响应)提供了一个平台。

图1

EPC91202 高频优化平台

EPC91202评估板是一款用于需要高开关频率和高功率密度应用的三相电机驱动逆变器。该板展示了EPC eGaN FET技术在低压直流母线供电的电机驱动系统中的能力。

功率级采用EPC2361 eGaN FET，配置为三相桥式拓扑。该设计支持高达约76V的直流母线电压和高达约50A RMS的输出电流(取决于冷却条件)。

EPC91202集成了电机驱动评估所需的几个关键子系统：

· GaN功率器件的栅极驱动电路

· 相电流检测电路

· 电压监测和故障检测

· 监控电源

该板旨在与外部电机控制器配合使用，能够快速原型设计基于GaN的电机驱动系统。GaN器件实现的高开关速度允许在比传统硅基电机驱动器典型开关频率高得多的频率下运行。

因此，EPC91202平台为评估高频电机逆变器运行和研究基于GaN的电机驱动架构的系统级行为提供了有用的工具。

图2

电流测量与保护策略

精确的电流测量对于实现现代电机控制算法至关重要，特别是在基于磁场定向控制(FOC)的系统中。需要可靠的相电流信息来调节转矩产生、维持控制环路稳定性以及检测异常工作条件。

两个评估平台都内置了电流检测电路，可监测逆变器相电流。可以将这些测量值连接到外部电机控制器，以使用闭环控制算法。检测电路设计有足够的带宽和精度，能够处理比标准硅基电机驱动器高得多的开关频率。

两个参考设计都包含保护系统以确保功率级的安全。发生故障时，逆变器级需要快速保护系统，能够检测异常电流水平并在必要时关断功率级。保护功能包括过流检测，确保在开发和系统集成过程中可以安全地测试逆变器。

表1

热性能

热管理在高性能电机逆变器设计中起着关键作用，尤其是在利用GaN器件实现的高开关速度时。尽管GaN晶体管的开关损耗通常低于硅MOSFET，但这些器件可实现的高功率密度需要在系统层面进行仔细的热评估。

EPC9186HC2/HC3电机驱动逆变器平台的热性能已在真实的电机驱动工作条件下进行了表征。在电机测试台上使用48V直流母线进行了测量，PWM开关频率为20 kHz、50 kHz和100 kHz，死区时间为75 ns。测试在环境温度25.5°C下进行，包括自然对流和强制风冷两种条件。

在自然对流条件下，EPC9186HC2/HC3板每相可提供约40A RMS电流而无需散热器，而使用散热器时每相可达70A RMS，eGaN FET外壳到环境温度的温升低于50°C。当施加约400 LFM(线性英尺/分钟)的强制气流时，该板在稳态条件下每相可提供高达150A RMS的电流。

根据EPC9186HC2/HC3评估板的热表征结果，图3和图4展示了GaN器件测量温升随开关频率和冷却配置的变化关系。

图3

图4

EPC91202三相逆变器评估平台也有类似的热表征结果，如图5所示。EPC91202板的热性能总结表明，在环境温度24°C、48V直流电源、100 kHz PWM开关频率、自然对流冷却条件下，该逆变器每相可提供约25A RMS电流(无散热器)，以及加装自然对流散热器时每相高达32.5A RMS电流，同时保持eGaN FET外壳到环境温度的温升低于50°C。温度测量是在稳态条件下记录的。

结论

与传统的硅基解决方案相比，GaN功率器件在开关速度、效率和功率密度方面实现了显著提升。这些特性使得GaN技术对现代电机驱动系统(包括机器人、工业自动化和电池供电应用)特别具有吸引力。

EPC9186HC2/HC3和EPC91202板为评估GaN电机逆变器架构提供了实用工具。通过集成功率级、检测电路和保护功能，这些平台使工程师能够在真实工作条件下快速原型设计和评估基于GaN的电机驱动解决方案。