解读纳微电机驱动专用型GaNSense氮化镓功率芯片

据估计，电动机和驱动器消耗的电力约占全球总发电量的 45%，相当于每年超过 12,000 太瓦时（TWh）的电力，约为全球最大的新疆 5GW 太阳能发电站总发电量的 1000 倍。该发电站于 2024 年 6 月并网，占地面积与纽约市相当。

采用系统经济的控制方式，可以节省大量电能，主要目标市场为将电能转化为机械能的家用电器领域，取代或节省人力。这些市场的用户，希望电器具有更高的效率，更强的能力和更快的速度。设计者面临的主要挑战为：设计出一个在相同或更小尺寸内输出更大功率、并且提高效率，具有竞争力和价格实惠的产品。

02氮化镓在电机驱动中的应用

被广泛应用的氮化镓（GaN），能迅速实现电机驱动领域的提升效率和功率密度。氮化镓在USB-C充电器和适配器领域的成功应用得到了很好的证明，基于氮化镓的产品得到快速的普及。

氮化镓应用在快充的案例

氮化镓晶体管是所有商用功率半导体中开关损耗最低的，与硅 MOSFET 和 IGBT 相比，可节省超过 50% 的损耗。在电机控制模块中，较低的损耗减少了散热，从而有助于简化热设计，允许减小散热器的尺寸或彻底省去散热器，并实现控制器外形的小型化。这可使装置更易于设计到机柜中，如洗衣机的电子隔间，也可能简化机器制造以加快生产。

此外，氮化镓场效应晶体管在高频下也能高效工作，而硅器件则不能。在电源设计中，为提高开关频率可直接选择更小的外部元件，从而减小尺寸并提高功率密度。当应用在电机领域时，需要考虑的问题更多。

一方面，高频本质上适合与正弦换向等控制算法配合使用，且直流母线电容可以更小。电容必须足以提供保持时间并处理 50Hz/60Hz 母线纹波。实际上，选择还取决于环境工作温度和电容器的参数稳定性、浪涌能力、所需寿命和成本。氮化镓出色的开关性能可实现快速的开启和关闭转换，从而允许以低延迟和死区时间进行精确的开关定时，确保对负载变化的快速动态响应。电磁干扰（EMI）也会降低，允许使用更小的滤波元件。

另一方面，高开关速度可能会引发问题。由于电机代表高感性负载，快速转换会导致振铃和反射，从而导致运行不良和可靠性问题。考虑到典型的家电电机结构，10-20V/ns 通常被视为实现最佳电气和机械性能的最大可行开关速度。