作者：延斯·沃尔曼

　　协作机器人(cobot)、电动自行车、工业无人机和电动工具等电池供电应用需要轻巧、功能强大的小尺寸电机。无刷直流 (BLDC) 电机是一个不错的选择，但电机驱动电子设备非常复杂，需要考虑许多设计因素。设计人员必须严格调节扭矩、速度和位置，同时确保高精度、最小振动、噪声和电磁辐射 (EMR)。此外，必须避免使用笨重的散热器和外部线束，以节省重量、空间和成本。

　　通常情况下，设计人员面临的挑战是平衡设计要求与时间和预算压力，同时避免代价高昂的开发错误。一种方法是利用快速、低损耗的半导体技术，如氮化镓 (GaN) 作为驱动 BLDC 电机所需的功率级。

　　本文讨论了基于GaN的功率级的相对优势，并介绍了一个示例器件 工程总承包，在半桥拓扑中实现。它介绍了如何使用关联的开发工具包快速开始项目。在此过程中，设计人员将学习如何测量 BLDC 电机的参数，并在无传感器磁场方向控制 (FOC) 中以最少的编程工作使用 微芯片技术 电机工作台开发套件.

　　氮化镓的优势

　　为了在电池应用中高效控制 BLDC 电机，开发人员需要一个高效、轻便的驱动器级，其外形尺寸小，可以尽可能靠近执行器实现。例如，电机外壳内部。

　　绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 坚固耐用，可以在最大 200 kHz 的电压下切换高达 100 兆瓦 (MW) 的高功率，但不适用于必须在高达 80 伏的电压下管理电池充电的设备。高接触电阻、续流二极管和开关损耗以及关断期间的电流尾部共同导致信号失真、产生过多热量和杂散辐射。

　　与IGBT相比，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关速度更快，开关损耗和欧姆损耗更低，但其栅极电容需要强大的栅极驱动器才能在高开关频率下工作。能够在高频下工作非常重要，因为这意味着设计人员可以使用更小的电子元件来降低整体空间要求。

　　转向GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)，它们的高载流子迁移率使它们能够以极快的速度和低损耗建立和击穿半导体结。集成氮化镓驱动器，如EPC EPC23102ENGRT，具有极低的开关损耗和高开关频率，可在最狭小的空间内实现紧凑型器件设计。单芯片包含一个输入逻辑接口，带有电平转换器、自举负载和栅极驱动器电路，用于控制半桥拓扑中的 GaN 输出 FET(图 1)。芯片封装针对高散热和低寄生电感进行了优化。

　　图 1：EPC23102 在半桥拓扑结构中包含控制逻辑、电平转换器、栅极驱动器和 GaN 输出 FET(左)。芯片封装(右)针对高散热和低寄生电感进行了优化。(图片来源：EPC)

　　更少的废热和更低的电子病历

　　EPC23102输出晶体管具有典型的漏源导通电阻(RDS(开启)) 的 5.2 毫欧 (mΩ)(25°C 时)。它们可处理高达 100 伏的电压和高达 35 安培 (A) 的电流。此外，GaN器件的横向结构和无本征体二极管提供了极低的栅极电荷(QG)和反向恢复费用(QRR).

　　与具有类似 R 的 MOSFET 器件相比DS(开启)，GaN 驱动器的开关损耗最多可降低五倍。这使得基于GaN的逆变器能够在相对较高的脉宽调制(PWM)频率(高达3兆赫兹(MHz))和更短的死区时间(低于50纳秒(ns))下工作。

　　GaN 半导体采用低寄生电感的封装设计，具有高开关速度 (dV/dt) 和低温度系数，可最大限度地减少信号失真，从而最大限度地减少 EMR 和开关损耗。这减少了对滤波策略的需求，而较小的低成本电容器和电感器则节省了电路板空间。

　　以及低接触电阻RDS(开启)，GaN 器件的其他优点，例如 GaN 基板的高导热性和元件封装的大热接触面积，所有这些都使 GaN 功率级无需散热器即可切换高达 15 安培 (A) 的电流(图 2)。

　　图 2：环境温度为 25.5°C 且采用不同 PWM 频率的 GaN 功率级的温升与相电流的关系。(图片来源：EPC)

　　EPC23102还具有从低侧到高端通道的鲁棒电平转换器，设计用于在软开关条件下工作(即使在大负端电压下)，并避免快速dV/dt瞬变(包括来自外部源或相邻相位的瞬变)的错误触发。内部电路集成了逻辑和自举电源充电和禁用功能。保护功能可防止输出FET在电源电压过低甚至失效时意外导通。

　　即用型电机逆变器评估套件

　　调试采用氮化镓技术的三相 BLDC 电机的最简单、最快捷的方法是使用 EPC EPC9176套件 电机逆变器评估套件。它由EPC9176电机逆变器板和DSP控制器板组成。还包括一个简单的EPC9147E控制器插入式适配器，用于通过客户特定的主机控制器进行控制。耦合连接器承载以下信号：3 × PWM、2 ×编码器、3 × U阶段， 3 × I阶段， U直流我直流和 2 个×状态指示灯。

　　作为一个 参考设计，EPC9176电机逆变器板有助于内部电路设计，而EPC9147A控制器板与Microchip Technology的motorBench开发环境一起使用时，允许用户快速启动和运行，而无需花费时间编码或编程。

　　三相 BLDC 电机逆变器集成了三个 EPC23102 GaN 半桥驱动器，用于控制交流或直流电机和直流/直流电源转换器。带 RDS(开启) 功率级最大为 6.6 mΩ，在高达 28 A 峰值 (A 的负载电流) 下产生的热损失很小PK) 或 20 A 有效值 (A有效值) 在高达 100 伏的开关电压下持续运行。EPC23102 专为多相 DC/DC 转换而配置，支持高达 500 kHz 和高达 250 kHz 的 PWM 开关频率，适用于电机驱动应用。

　　8.1 × 7.5 厘米 (cm) EPC9176 电机逆变器板包含支持完整电机逆变器所需的所有关键功能电路，包括直流母线电容器、栅极驱动器、稳压辅助电压、相电压、相电流和温度测量，以及保护功能和每相可选的谐波或 EMR 滤波器(图 3)。

　　图 3：EPC9176 电机逆变器具有直流母线电容器、栅极驱动器、稳压器、电压检测、电流和温度保护功能以及 EMR 滤波器。(图片来源：EPC)

　　三相氮化镓逆变器可在 14 至 65 V 的输入电压下工作直流.它在无过冲的情况下切换，从而实现平稳的扭矩和最小的运行噪音。该板针对低于 10 V/ns (V/ns) 的 GaN 典型高速开关斜率进行了优化，并可选择降低以操作 DC/DC 转换器。此外，还可以连接两个在不同电压电平下工作的转子位置传感器(霍尔传感器)。

　　无振动扭矩和低运行噪音

　　三相 BLDC 电机实现示例演示了死区时间参数化对电机平稳运行的影响，从而对噪声产生的影响。基于GaN FET的半桥的高侧和低侧FET开关转换处的锁定时间可以选择非常小，因为GaN HEMT的反应速度极快，并且不会像较慢的MOSFET那样产生寄生过冲。

　　图4(左)显示了一个GaN逆变器，MOSFET的典型死区时间为500 ns，PWM频率为40 kHz。本应是平滑的正弦相电流显示出极高的失真，这会导致高转矩纹波和相应的噪声。在图4(右)中，死区时间减少到50 ns，为平稳运行的电机建立了正弦相电流，噪音很小。

　　图 4：MOSFET 的典型死区时间为 500 ns，在 40 kHz PWM 频率(左)下会导致相电流高失真，从而导致高转矩纹波和高噪声水平。死区时间为50 ns(右)，建立正弦相电流，使电机平稳旋转，噪音低。(图片来源：EPC)

　　相电流中的纹波越小也意味着定子线圈中的磁化损耗越低，而相电压中的纹波越小，可实现更高的分辨率，以及更精确的扭矩和速度控制，特别是对于小型设计中使用的低电感电机。

　　对于需要更大功率的电机驱动应用，提供两种氮化镓逆变器板：： EPC9167HCKIT (1 千瓦 (kW)) 和 EPC9167套件 (500 瓦)。两者都使用 EPC2065 氮化镓场效应管，最大R为3.6 mΩDS(开启) 和 80 伏最大设备电压。EPC9167 板的每个开关位置使用单个 FET，而 EPC9167HC 有两个 FET 并联工作，最大电流为 42 APK (30 安培有效值) 输出电流。EPC2065 GaN FET 在电机控制应用中支持 PWM 开关频率高达 250 kHz，在 DC/DC 转换器中支持最高 500 kHz 的开关频率。

　　逆变器板提供更高的功率 - 高达 1.5 kW EPC9173套件.该板形成两个单的半桥分支 EPC23101ENGRT GaN栅极驱动器IC，只有一个集成高边功率FET。该板可扩展为降压、升压、半桥、全桥或LLC转换器。它提供高达 50 A 的输出电流PK (35 安培有效值)，并在高达 250 kHz 的 PWM 开关频率下工作，并具有适当的冷却效果。

　　在几分钟内启动并运行驱动程序阶段

　　评估EPC9176 GaN逆变器板的最快方法(无需编码)是使用： EPC9147A 控制器接口板。插件模块 (PIM) — MA330031-2—包含 dsPIC33EP256MC506-I-PT Microchip Technology 的 16 位 DSP(图 5)。

　　图 5：EPC9147A 通用控制器接口卡可容纳各种插件模块，例如基于 16 位 dsPIC33EP256 DSP 的 MA330031-2 PIM。(图片来源：EPC/微芯科技)

　　为了方便DSP控制器接口的操作，设计人员可以使用motorBench开发套件，他们必须在其中添加：

　　MPLAB X IDE_V5.45 和建议的更新

　　代码配置器插件 (DSP特定编译)

　　电机工作台插件 2.35 (电机示例)

　　对于此讨论，该示例使用 EPC9146 氮化镓电机逆变板，所以：

　　从EPC914xKIT的MCLV-2或EPC项目开始，命名为“sample-mb-33ep256mc506-mclv2”。X"

　　用户只需为EPC9146 GaN电机逆变器板选择示例十六进制文件，并使用编程适配器将其闪存到DSP dsPIC33EP256MC506中，例如Microchip Technology的 PG164100 适用于 16 位微控制器。然后，连接的 BLDC 电机 (Teknic_M-3411P-LN-08D) 可通过控制器进行手动控制，并在无传感器 FOC 模式下运行。

　　如果电机运行不令人满意或需要配置为不同的运行状态，motorBench 还提供可配置的示例文件，该文件必须在刷新之前进行编译。如上所述，GaN电机驱动器的一个基本但重要的参数是50 ns或更小的死区时间，在编译十六进制文件之前必须绝对检查。

　　无刷直流电机的自定义参数

　　为了使用 motorBench IDE 为无传感器 FOC 操作配置自定义 BLDC 电机配置，用户可以测量其特定电机参数并在配置文件中输入相关值。这 MOT-I-81542-A 电机来自 ISL产品国际，例如，可以在这里用作测试电机。它消耗约 361 瓦的功率，以 24 伏电压运行，以每分钟 6100 转 (rpm) 的速度运行。

　　必须首先确定这四个电机参数：

　　欧姆电阻：这是使用万用表在定子线圈端子之间测量的

　　电感：使用万用表在定子线圈端子之间测量

　　极对：要确定极对，设计人员必须使两相短路，让第三相保持打开状态，然后手动计算一轴旋转时的锁存器数量，然后将结果除以二

　　反电动势 (BEMF)：使用示波器测量定子线圈端子之间的 BEMF。为此，设计人员必须：

　　将探头夹在两相引线上，保持第三相开路

　　用手旋转电机轴并记录电压响应

　　测量峰峰值电压APP 和周期 T半 最大的正弦半波(图6)。

　　图 6：通过测量峰峰值电压 A 来确定 BEMFPP 和周期 T半 最大的正弦半波。(图片来源：EPC)

　　参考上述项目示例，Microchip确定了Teknic M-3411P-LN-08D电机(8.4 A)的以下参数有效值，八极，扭矩 = 1 牛顿米 (Nm)，额定功率为 244 瓦)：

　　一个PP = 15.836 VPP

　　T半 = 13.92 毫秒

　　极对：pp = 4

　　然后，Microchip计算了BEMF常数(对于1000 rpm = 1 k.rpm)，使用公式 1：

　　等式 1

　　对于此示例电机

　　(值 10.2 用于 motorBench)

　　RL-L = 800 mΩ 线间电阻，由于采用 LCR 仪表引线，负 100 mΩ

　　Ld = Lq = 本例中使用的 1 mH，尽管测量了 932 微亨 (μH)

　　确定的参数被输入到电机工作台子菜单配置/永磁同步电机中。为此，设计人员只需使用类似电机类型的XML配置文件即可。或者，可以将参数输入到新创建的(空)配置文件中，该文件可以通过“导入电机”按钮导入。

　　结论

　　氮化镓电机驱动器 IC 在电池供电的 BLDC 电机驱动器中实现了高效率性能，外形尺寸小，重量轻。它们集成在电机外壳中，受到良好的保护，简化了设备设计和安装，并减少了维护。

　　在参考电路、预编程的基于模型的 DSP 控制器和电机开发环境的支持下，BLDC 电机应用的设计人员和程序员可以缩短电路设计时间，并将更多精力放在应用开发上。