機器人在各個市場都有著廣泛應用，它們也呈現出多種形式，包括服務機器人、協作機器人（cobot）、工業機器人、自動駕駛無人機和自動引導車輛等。對于成功的機器人應用，一個關鍵考慮因素是確保最佳電機驅動設計。就硅基（Si）電機驅動器而言，在效率和尺寸之間必須做出某種權衡。例如，較高的開關頻率允許使用較小的無源元件，但會導致較高的功耗。業內一些人士提出，可以使用氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）來代替硅器件以減輕這種權衡。本文將探討基于GaN技術的電機驅動原型這一提議。
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GaN基電機驅動架構
圖1所示，為一個采用兩個100V、3mΩ CoolGaNTM SG HEMT半橋電路的100V GaN電機驅動器頂層框圖。為了實現雙面冷卻，這些芯片在封裝頂部配有一個裸露管芯。半橋具有非常低的回路電感（400pH），這允許在器件峰值漏極電壓額定值內以不到1ns實現快速電壓轉換。
圖1 基于CoolGaN? SG HEMT 100 V的馬達驅動圖示
該設計中使用的1EDN7126G柵極驅動器是EiceDRIVER? 產品系列的一員，這些驅動器專門設計用于GaN開關和邏輯電平MOSFET。為了提供開關速度方面的靈活性，可提供從0.5A（1EDN7146G）到2A（1EDN7116G）的不同源/匯（source/sink）電流強度。與使用單獨柵極電阻器相比，這種方案降低了電路布局復雜性和回路電感。
一種被稱為“真差分輸入”（TDI）的特性能夠保證快速開關瞬態期間的穩定運行，據此可實現低側開關的極高抗接地反彈以及高側的高共模電壓抑制能力。因而，可以用同一驅動器驅動低側和高側HEMT。此外，1EDN71x6G系列在輸出級還具有有源米勒鉗位（Miller clamp），在柵極電壓下降到0.4V以下的3ns內，可將下拉強度增加到5A。這在GaN HEMT的關斷速率方面提供了設計自由度，同時保持了高抗感應導通能力。只有0.3Ω的下拉電阻意味著一旦驅動器鎖定，即便在高速開關期間，柵極電壓也保持在0V。
三個半橋電路包括單獨的溫度和同相（in-phase）電流傳感器。為確保低外形設計，電路板的兩側還整合有與HEMT類似高度的100V陶瓷電容器。由于高開關頻率可降低電容器紋波電流，因此不再需要使用大容量電解電容器。在100kHz及以上頻率下運行時，80μF的總直流鏈路電容就已經足夠。
為了向低側柵極驅動器提供穩定的電源電壓，該設計采用了48V到5V的降壓DC/DC轉換器，而高側柵極驅動器則由1EDN71x6G EiceDRIVETM有源自舉鉗位功能供電。
為了優化高頻功率環路電感，并充分利用CoolGaN HEMT提供的更快開關速度，可選擇同相電流傳感器而非傳統的低側電流測量。與差分電流放大器相比，隔離的同相電流傳感器對電壓瞬態具有更好的抗擾性。XENSIV? TLI4971采用基于單片霍爾元件的無磁芯設計，具有高線性輸出和可配置感測范圍（從±25到±120A），從而能夠滿足這些要求。即便是最苛刻的磁場定向控制（FOC）應用也可以通過240kHz帶寬應對。
XMC4400驅動卡能夠為無傳感器FOC提供控制回路，更新速率為20 kHz，最大開關頻率為100kHz。通過將控制頻率增加到與開關頻率相同，可以在需要快速動態控制響應的應用中提供更高的控制帶寬。
圖2顯示了電機驅動設計的俯視圖、側視圖和仰視圖。矩形區域（僅為56 mm x 40 mm，厚度為3.7mm）包括整個電機驅動器的所有部件，包括直流鏈路電容、電流傳感器、輔助電源和方便的測試點。總溶液體積為8.3 cm3，這意味著該電機驅動器的功率密度為120 W/cm3或2 kW/in3，適用于需要1 kW功率處理能力的應用。
圖2 CoolGaN? 電機驅動器的俯視圖、剖面圖和側視圖
繞組絕緣損壞和軸承磨損是限制電機電壓變化率的兩個因素。對于48V電機，繞組絕緣通常不是一個重要問題，因為這些電機通常具有更高的電壓絕緣額定值。然而，軸承磨損可能是一個較大問題，因此電機驅動器的開關速度有時會受到限制。此外，將驅動器連接到電機的電纜會顯著影響電機的有效dV/dt，如圖3所示。這里，電機的dV/dt大約比CoolGaN電機驅動器的dV/dc低一個數量級（4.9 vs.51 V/ns）。在確定軸承的壽命和可接受的dV/dt時，還必須考慮機械負載、標稱轉速（RPM）和溫度等特定應用因素。
圖3 直接在開關節點處的開關波形與緊密探測環（綠松石色）（位于螺釘端子處略微延伸探測環（灰色）），以及直接使用光學隔離差分探頭（綠色和紫色）測量的兩相之間電機端子處比較
較高開關頻率可提高系統效率
CoolGaN的高開關速度? 器件在選擇開關頻率時能夠為設計師提供更多選擇，允許他們檢查端到端效率和總解決方案大小，而不僅僅是逆變器的效率。
結合市場商用的低電感（20μH相間）高極數（pole-count）（14P）無人機電機，基于CoolGaN?的電機驅動整體系統效率在20、60和100 kHz開關頻率下分別進行了測量，使用測力計測量電機的機械輸出功率，使用萬用表測量逆變器的直流電輸入功率。圖4比較了20和100 kHz下100 W和500 W運行的相電流波形。這表明，更高的開關頻率導致更低的電流紋波、更低的RMS電流和更少的散熱。在100W時，RMS電流從5.6A降至4.5A（降低20%）；在500W時，電流從26.2A降低到23.1A（降低12%）。
圖4 100W（左）和500W（右）運行時的相電流波形
雖然在較高開關頻率下RMS相電流的降低在輕負載下更為明顯，但在整個負載范圍內可以觀察到對于繞組溫度的益處。如圖5所示，在500 W機械輸出功率下，繞組溫度從20 kHz時的110°C降至100 kHz時的約80°C。對于像協同機器人等需要限制散熱的應用，這是一個重要的改進。
圖5 20、60和100 kHz運行時的電機繞組溫度
電機溫度的降低是由于其中電流紋波減小，從而降低了繞組和鐵芯損耗；然而，開關損耗與開關頻率成正比，一般情況下會增大逆變器中的功率損耗和散熱。對于傳統的基于MOSFET或IGBT的設計，這將是一個負面的權衡。然而，如圖6所示，由于CoolGaN? HEMT極低的開關損耗，端到端效率隨著開關頻率的增大而提高。
圖6 20和60kHz頻率下端到端效率
總結
本文介紹了使用GaN開關器件的無傳感器FOC 48V應用電機驅動器設計，對設計的評估表明，GaN器件允許采用更高的開關頻率，而不會降低系統效率或超過熱管理極限。更高的開關頻率可改進端到端系統效率，實現更低的電機溫度和更高的功率密度。設計具備的小尺寸意味著電機驅動器可以嵌入在底座附近（例如，在機器人手臂內部），從而減少長電纜連接引起的EMI。
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