作者：延斯·沃爾曼

　　協作機器人(cobot)、電動自行車、工業無人機和電動工具等電池供電應用需要輕巧、功能強大的小尺寸電機。無刷直流 (BLDC) 電機是一個不錯的選擇，但電機驅動電子設備非常復雜，需要考慮許多設計因素。設計人員必須嚴格調節扭矩、速度和位置，同時確保高精度、最小振動、噪聲和電磁輻射 (EMR)。此外，必須避免使用笨重的散熱器和外部線束，以節省重量、空間和成本。

　　通常情況下，設計人員面臨的挑戰是平衡設計要求與時間和預算壓力，同時避免代價高昂的開發錯誤。一種方法是利用快速、低損耗的半導體技術，如氮化鎵 (GaN) 作為驅動 BLDC 電機所需的功率級。

　　本文討論了基于GaN的功率級的相對優勢，并介紹了一個示例器件 工程總承包，在半橋拓撲中實現。它介紹了如何使用關聯的開發工具包快速開始項目。在此過程中，設計人員將學習如何測量 BLDC 電機的參數，并在無傳感器磁場方向控制 (FOC) 中以最少的編程工作使用 微芯片技術 電機工作臺開發套件.

　　氮化鎵的優勢

　　為了在電池應用中高效控制 BLDC 電機，開發人員需要一個高效、輕便的驅動器級，其外形尺寸小，可以盡可能靠近執行器實現。例如，電機外殼內部。

　　絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 堅固耐用，可以在最大 200 kHz 的電壓下切換高達 100 兆瓦 (MW) 的高功率，但不適用于必須在高達 80 伏的電壓下管理電池充電的設備。高接觸電阻、續流二極管和開關損耗以及關斷期間的電流尾部共同導致信號失真、產生過多熱量和雜散輻射。

　　與IGBT相比，金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)開關速度更快，開關損耗和歐姆損耗更低，但其柵極電容需要強大的柵極驅動器才能在高開關頻率下工作。能夠在高頻下工作非常重要，因為這意味著設計人員可以使用更小的電子元件來降低整體空間要求。

　　轉向GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)，它們的高載流子遷移率使它們能夠以極快的速度和低損耗建立和擊穿半導體結。集成氮化鎵驅動器，如EPC EPC23102ENGRT，具有極低的開關損耗和高開關頻率，可在最狹小的空間內實現緊湊型器件設計。單芯片包含一個輸入邏輯接口，帶有電平轉換器、自舉負載和柵極驅動器電路，用于控制半橋拓撲中的 GaN 輸出 FET(圖 1)。芯片封裝針對高散熱和低寄生電感進行了優化。

　　圖 1：EPC23102 在半橋拓撲結構中包含控制邏輯、電平轉換器、柵極驅動器和 GaN 輸出 FET(左)。芯片封裝(右)針對高散熱和低寄生電感進行了優化。(圖片來源：EPC)

　　更少的廢熱和更低的電子病歷

　　EPC23102輸出晶體管具有典型的漏源導通電阻(RDS(開啟)) 的 5.2 毫歐 (mΩ)(25°C 時)。它們可處理高達 100 伏的電壓和高達 35 安培 (A) 的電流。此外，GaN器件的橫向結構和無本征體二極管提供了極低的柵極電荷(QG)和反向恢復費用(QRR).

　　與具有類似 R 的 MOSFET 器件相比DS(開啟)，GaN 驅動器的開關損耗最多可降低五倍。這使得基于GaN的逆變器能夠在相對較高的脈寬調制(PWM)頻率(高達3兆赫茲(MHz))和更短的死區時間(低于50納秒(ns))下工作。

　　GaN 半導體采用低寄生電感的封裝設計，具有高開關速度 (dV/dt) 和低溫度系數，可最大限度地減少信號失真，從而最大限度地減少 EMR 和開關損耗。這減少了對濾波策略的需求，而較小的低成本電容器和電感器則節省了電路板空間。

　　以及低接觸電阻RDS(開啟)，GaN 器件的其他優點，例如 GaN 基板的高導熱性和元件封裝的大熱接觸面積，所有這些都使 GaN 功率級無需散熱器即可切換高達 15 安培 (A) 的電流(圖 2)。

　　圖 2：環境溫度為 25.5°C 且采用不同 PWM 頻率的 GaN 功率級的溫升與相電流的關系。(圖片來源：EPC)

　　EPC23102還具有從低側到高端通道的魯棒電平轉換器，設計用于在軟開關條件下工作(即使在大負端電壓下)，并避免快速dV/dt瞬變(包括來自外部源或相鄰相位的瞬變)的錯誤觸發。內部電路集成了邏輯和自舉電源充電和禁用功能。保護功能可防止輸出FET在電源電壓過低甚至失效時意外導通。

　　即用型電機逆變器評估套件

　　調試采用氮化鎵技術的三相 BLDC 電機的最簡單、最快捷的方法是使用 EPC EPC9176套件 電機逆變器評估套件。它由EPC9176電機逆變器板和DSP控制器板組成。還包括一個簡單的EPC9147E控制器插入式適配器，用于通過客戶特定的主機控制器進行控制。耦合連接器承載以下信號：3 × PWM、2 ×編碼器、3 × U階段， 3 × I階段， U直流我直流和 2 個×狀態指示燈。

　　作為一個 參考設計，EPC9176電機逆變器板有助于內部電路設計，而EPC9147A控制器板與Microchip Technology的motorBench開發環境一起使用時，允許用戶快速啟動和運行，而無需花費時間編碼或編程。

　　三相 BLDC 電機逆變器集成了三個 EPC23102 GaN 半橋驅動器，用于控制交流或直流電機和直流/直流電源轉換器。帶 RDS(開啟) 功率級最大為 6.6 mΩ，在高達 28 A 峰值 (A 的負載電流) 下產生的熱損失很小PK) 或 20 A 有效值 (A有效值) 在高達 100 伏的開關電壓下持續運行。EPC23102 專為多相 DC/DC 轉換而配置，支持高達 500 kHz 和高達 250 kHz 的 PWM 開關頻率，適用于電機驅動應用。

　　8.1 × 7.5 厘米 (cm) EPC9176 電機逆變器板包含支持完整電機逆變器所需的所有關鍵功能電路，包括直流母線電容器、柵極驅動器、穩壓輔助電壓、相電壓、相電流和溫度測量，以及保護功能和每相可選的諧波或 EMR 濾波器(圖 3)。

　　圖 3：EPC9176 電機逆變器具有直流母線電容器、柵極驅動器、穩壓器、電壓檢測、電流和溫度保護功能以及 EMR 濾波器。(圖片來源：EPC)

　　三相氮化鎵逆變器可在 14 至 65 V 的輸入電壓下工作直流.它在無過沖的情況下切換，從而實現平穩的扭矩和最小的運行噪音。該板針對低于 10 V/ns (V/ns) 的 GaN 典型高速開關斜率進行了優化，并可選擇降低以操作 DC/DC 轉換器。此外，還可以連接兩個在不同電壓電平下工作的轉子位置傳感器(霍爾傳感器)。

　　無振動扭矩和低運行噪音

　　三相 BLDC 電機實現示例演示了死區時間參數化對電機平穩運行的影響，從而對噪聲產生的影響。基于GaN FET的半橋的高側和低側FET開關轉換處的鎖定時間可以選擇非常小，因為GaN HEMT的反應速度極快，并且不會像較慢的MOSFET那樣產生寄生過沖。

　　圖4(左)顯示了一個GaN逆變器，MOSFET的典型死區時間為500 ns，PWM頻率為40 kHz。本應是平滑的正弦相電流顯示出極高的失真，這會導致高轉矩紋波和相應的噪聲。在圖4(右)中，死區時間減少到50 ns，為平穩運行的電機建立了正弦相電流，噪音很小。

　　圖 4：MOSFET 的典型死區時間為 500 ns，在 40 kHz PWM 頻率(左)下會導致相電流高失真，從而導致高轉矩紋波和高噪聲水平。死區時間為50 ns(右)，建立正弦相電流，使電機平穩旋轉，噪音低。(圖片來源：EPC)

　　相電流中的紋波越小也意味著定子線圈中的磁化損耗越低，而相電壓中的紋波越小，可實現更高的分辨率，以及更精確的扭矩和速度控制，特別是對于小型設計中使用的低電感電機。

　　對于需要更大功率的電機驅動應用，提供兩種氮化鎵逆變器板：： EPC9167HCKIT (1 千瓦 (kW)) 和 EPC9167套件 (500 瓦)。兩者都使用 EPC2065 氮化鎵場效應管，最大R為3.6 mΩDS(開啟) 和 80 伏最大設備電壓。EPC9167 板的每個開關位置使用單個 FET，而 EPC9167HC 有兩個 FET 并聯工作，最大電流為 42 APK (30 安培有效值) 輸出電流。EPC2065 GaN FET 在電機控制應用中支持 PWM 開關頻率高達 250 kHz，在 DC/DC 轉換器中支持最高 500 kHz 的開關頻率。

　　逆變器板提供更高的功率 - 高達 1.5 kW EPC9173套件.該板形成兩個單的半橋分支 EPC23101ENGRT GaN柵極驅動器IC，只有一個集成高邊功率FET。該板可擴展為降壓、升壓、半橋、全橋或LLC轉換器。它提供高達 50 A 的輸出電流PK (35 安培有效值)，并在高達 250 kHz 的 PWM 開關頻率下工作，并具有適當的冷卻效果。

　　在幾分鐘內啟動并運行驅動程序階段

　　評估EPC9176 GaN逆變器板的最快方法(無需編碼)是使用： EPC9147A 控制器接口板。插件模塊 (PIM) — MA330031-2—包含 dsPIC33EP256MC506-I-PT Microchip Technology 的 16 位 DSP(圖 5)。

　　圖 5：EPC9147A 通用控制器接口卡可容納各種插件模塊，例如基于 16 位 dsPIC33EP256 DSP 的 MA330031-2 PIM。(圖片來源：EPC/微芯科技)

　　為了方便DSP控制器接口的操作，設計人員可以使用motorBench開發套件，他們必須在其中添加：

　　MPLAB X IDE_V5.45 和建議的更新

　　代碼配置器插件 (DSP特定編譯)

　　電機工作臺插件 2.35 (電機示例)

　　對于此討論，該示例使用 EPC9146 氮化鎵電機逆變板，所以：

　　從EPC914xKIT的MCLV-2或EPC項目開始，命名為“sample-mb-33ep256mc506-mclv2”。X"

　　用戶只需為EPC9146 GaN電機逆變器板選擇示例十六進制文件，并使用編程適配器將其閃存到DSP dsPIC33EP256MC506中，例如Microchip Technology的 PG164100 適用于 16 位微控制器。然后，連接的 BLDC 電機 (Teknic_M-3411P-LN-08D) 可通過控制器進行手動控制，并在無傳感器 FOC 模式下運行。

　　如果電機運行不令人滿意或需要配置為不同的運行狀態，motorBench 還提供可配置的示例文件，該文件必須在刷新之前進行編譯。如上所述，GaN電機驅動器的一個基本但重要的參數是50 ns或更小的死區時間，在編譯十六進制文件之前必須絕對檢查。

　　無刷直流電機的自定義參數

　　為了使用 motorBench IDE 為無傳感器 FOC 操作配置自定義 BLDC 電機配置，用戶可以測量其特定電機參數并在配置文件中輸入相關值。這 MOT-I-81542-A 電機來自 ISL產品國際，例如，可以在這里用作測試電機。它消耗約 361 瓦的功率，以 24 伏電壓運行，以每分鐘 6100 轉 (rpm) 的速度運行。

　　必須首先確定這四個電機參數：

　　歐姆電阻：這是使用萬用表在定子線圈端子之間測量的

　　電感：使用萬用表在定子線圈端子之間測量

　　極對：要確定極對，設計人員必須使兩相短路，讓第三相保持打開狀態，然后手動計算一軸旋轉時的鎖存器數量，然后將結果除以二

　　反電動勢 (BEMF)：使用示波器測量定子線圈端子之間的 BEMF。為此，設計人員必須：

　　將探頭夾在兩相引線上，保持第三相開路

　　用手旋轉電機軸并記錄電壓響應

　　測量峰峰值電壓APP 和周期 T半 最大的正弦半波(圖6)。

　　圖 6：通過測量峰峰值電壓 A 來確定 BEMFPP 和周期 T半 最大的正弦半波。(圖片來源：EPC)

　　參考上述項目示例，Microchip確定了Teknic M-3411P-LN-08D電機(8.4 A)的以下參數有效值，八極，扭矩 = 1 牛頓米 (Nm)，額定功率為 244 瓦)：

　　一個PP = 15.836 VPP

　　T半 = 13.92 毫秒

　　極對：pp = 4

　　然后，Microchip計算了BEMF常數(對于1000 rpm = 1 k.rpm)，使用公式 1：

　　等式 1

　　對于此示例電機

　　(值 10.2 用于 motorBench)

　　RL-L = 800 mΩ 線間電阻，由于采用 LCR 儀表引線，負 100 mΩ

　　Ld = Lq = 本例中使用的 1 mH，盡管測量了 932 微亨 (μH)

　　確定的參數被輸入到電機工作臺子菜單配置/永磁同步電機中。為此，設計人員只需使用類似電機類型的XML配置文件即可?；蛘?，可以將參數輸入到新創建的(空)配置文件中，該文件可以通過“導入電機”按鈕導入。

　　結論

　　氮化鎵電機驅動器 IC 在電池供電的 BLDC 電機驅動器中實現了高效率性能，外形尺寸小，重量輕。它們集成在電機外殼中，受到良好的保護，簡化了設備設計和安裝，并減少了維護。

　　在參考電路、預編程的基于模型的 DSP 控制器和電機開發環境的支持下，BLDC 電機應用的設計人員和程序員可以縮短電路設計時間，并將更多精力放在應用開發上。