EPC 在意大利开设基于 GaN 的电机驱动设计应用中心

新兴电子应用需要能够从更紧凑的平台中获得更高性能的电机设计。设计人员很难满足基于传统硅 MOSFET 和 IGBT 的电机驱动器电路的新要求。随着硅技术达到功率密度、击穿电压和开关频率的理论极限，设计人员控制功率损耗变得更加困难。这些限制的主要影响是在高工作温度和高开关率下的次优效率和额外的性能问题。

氮化镓技术的发展开启了电力电子的新时代。更大的带隙、临界场和电子迁移率是对 GaN 技术影响最大的三个因素。为了专注于在电动汽车、机器人、无人机和工业自动化领域扩展基于GaN 技术的电机驱动应用，EPC 在意大利都灵附近开设了一个新的设计应用中心。

在一次采访中，EPC 电机驱动系统和应用总监 Marco Palma 讨论了帮助全球 EPC 客户设计能够利用 GaN 技术的新一代电机系统的重要性。

“我们的使命是减少每个电机应用中的电力浪费，”Palma 说。“我们决定在都灵建立实验室，因为在自动化领域享有历史悠久的工业声誉，我们立即开始与都灵理工大学的电力电子创新中心[PEIC]合作。PEIC 是一个跨部门中心，可以提供当今设计现代汽车或工业系统所需的所有类型的专业知识。我们从电动汽车和无人机中的电机开始，我们将更多地扩展到集成电路设计，以增强我们的产品组合，进一步扩大应用范围。每当采用新技术时，就会出现不可预测的颠覆性解决方案。”

EPC 的专家正在帮助客户缩短设计周期，并使用 GaN 实现更有效、更紧凑、更便宜的解决方案。此外，该中心正在研究如何利用 EPC 的GaN 技术在电机驱动应用中的潜力，以显着提高电机的效率，从而实现比以前基于 MOSFET 的设计更高的功率密度设计。

“电机控制市场是多学科的，因此需要越来越多的电气、电子和固件工程师，”Palma 说。“GaN技术本质上也是一种集成电路技术，因此也需要微电子工程师。无论尺寸、尺寸和效率如何，GaN 都将是一项重要的技术。我正在考虑所有电池供电的机器，其电池电压范围在 36 V 和 96 V 之间：它们可以立即 [从迁移中受益] 到 GaN 技术。”

电机控制的新设计

GaN 技术是电力电子行业宽带隙半导体革命的一部分。Palma 表示，目前电动汽车中大多数基于硅的电力电子设备将过渡到 GaN 技术。“这要归功于 GaN 提供的固有集成能力，因为它是一种横向技术，”Palma 说。“您始终可以将部分控制与 GaN 功率开关集成，而您无法使用其他技术来实现。”

GaN FET 在多个方面优于传统的硅基功率器件，包括：

· GaN 的击穿电场比硅高 10 倍以上(3.3 MV/cm 对 0.3 MV/cm)，允许基于 GaN 的功率器件在损坏之前支持高 10 倍的电压。

· 在相同的电压值下运行，GaN 器件表现出较低的温度并产生较少的热量。因此，它们可以在比硅更高的温度下工作，这受到其较低的结温(150°C 至 175°C)的限制。

· 由于其固有结构，GaN 可以在比硅更高的频率下开关，具有低 R DS(on)，并具有出色的反向恢复能力。这反过来又会产生高效率，同时减少开关和功率损耗。

· 作为一种高电子迁移率晶体管，GaN 器件具有比硅器件更高的电场强度，从而允许更小的芯片尺寸和更小的占位面积。

在宽带隙半导体领域，还有碳化硅，它的表现非常好，尤其是在更高功率应用的电动汽车中。对于道路上的每辆车都是电动的，续航里程更长的电动汽车不仅应该成为常态，而且电池应该更实惠，充电速度更快。汽车制造商已透露计划在未来 5 到 10 年内投资超过 3000 亿美元用于电动汽车。新车具有不同的电气化水平，从轻度混合动力电动汽车、全混合动力电动汽车和插电式混合动力电动汽车到零排放电池电动汽车和燃料电池电动汽车。

“从硅 MOSFET 解决方案转移到 SiC MOSFET 相对容易，”Palma 说。“使用 GaN 更具挑战性，但这正是机会所在。”

根据 Palma 的说法，GaN 技术需要重新思考系统才能达到新的水平，而 SiC 通常只是对旧技术系统中的设备进行改造。

“SiC 本身也是高压的，而最高效的 GaN 是低压 [200–350 V]，”他说。“虽然我仍然看到 SiC 技术在未来发挥重要作用，但我对它的可扩展性有些担忧。碳化硅制造需要难以生长的碳化硅晶圆和生产中的新机器，因为碳化硅晶圆对光是透明的，并且所有现有的光刻机都是基于光反射的。此外，碳化硅晶片不是平面的，因此需要更复杂的生产机械。反之亦然，GaN 技术具有高度可扩展性，因为它基于在现有衬底 [即硅] 上生长的外延膜，并且允许重复使用成熟的生产机器。”

电动汽车行业有多种电动机解决方案。由于像 EV 这样的复杂系统是由多个组件组成的，这些组件在构建和开发时没有重新考虑整个系统，因此现在出现了一种疯狂现象。

“一些解决方案需要三相高压电机 [800 V]，这实际上是没有意义的，”Palma 说。“同样的应用可以用六相或九相电机进行，以节省铜并提高可靠性和使用寿命。对电池进行快速充电的要求也将市场推向高电压，从而推动电力电子器件采用新的拓扑结构以减小尺寸和重量。在我看来，颠覆性解决方案将来自新兴公司，它们不会被迫遵循‘我们总是以这种方式’的心态，也不必从基于机械的世界过渡到基于电子的世界。”

GaN 晶体管提高了电源系统的性能，同时还降低了组件成本。但是我们如何评估它的可靠性和质量呢?

根据 Palma 的说法，EPC GaN 的可靠性被证明优于当前的硅 MOS 技术。“现有硅技术的所有资格都是基于 1990 年的旧标准，而这些标准在今天可能不再有效，”Palma 说。“资格认证计划是基于‘测试通过’的方法，不知道界限在哪里。”

GaN 器件的可靠性包括强大的故障模式分析、严格的设计以及一系列资格和寿命测试。所有这些努力使公司能够为汽车、工业和航空航天应用提供强大而可靠的解决方案。可靠性方面最困难的市场是汽车、工业和高可靠性航空航天领域。