近年来宽禁带半导体市场发展火热，GaN功率晶体管发展最为迅速。在充电头快速充电器、激光雷达、卫星电子设备等领域占领了较大的市场份额。如今，GaN器件开始在电机驱动器市场开始崭露头角。

一般来说，变频驱动器使用逆变器控制电机转速，并进行高频脉宽调制（PWM）开关，实现可变速度控制。目前，这些逆变器使用MOSFET和IGBT作为电源开关来实现，但由于总体损耗较高、开关频率和电力输送受到限制。但随着宽带隙技术的进步，在电机驱动器中使用基于GaN的电源开关有助于提高功率密度、电力输送能力和效率。

GaN如何提高逆变器效率

与MOSFET类似，GaN FET的导通损耗与GaN的导通状态电阻成正比。但对于IGBT，导通损耗取决于拐点电压和动态导通状态电阻，这通常高于GaN FET或MOSFET。在开关损耗方面，GaN FET的损耗要比MOSFET和IGBT低得多。

图：开关技术在电机驱动应用中的定位（来源：英飞凌）

首先是GaN提供反向恢复。通过零反向恢复，可以非常高的电流压摆率（di/dt）和电压压摆率（dv/dt）切换GaN FET。在 MOSFET 中，体二极管会出现较高的零反向恢复，从而限制开关 di/dt 和 dv/dt，并导致额外的损耗和相位节点电压振铃。对于 IGBT，即使添加经过优化的反向并联二极管，仍然会带来与反向恢复相关的难题。

其次是关闭时，GaN没有任何少数载流子复合电流（通常称为尾电流）。但IGBT会受到尾电流的影响，而尾电流会增加关断损耗。

三是GaN比MOSFET和IGBT具有更低的栅极电容。这意味着它们可以更快地打开和关闭，从而缩短死区时间，而不会产生击穿电流的风险。这可以实现更高效地运行，并更好地优化电机驱动应用中的死区时间。

四是与硅 MOSFET 相比，GaN FET 具有更快的开关速度。这允许对死区时间进行更精确的控制，因为 GaN FET 的关断和开启时间明显更短。这种更快的开关速度允许对死区时间进行严格的控制。而受控和更快的di/dt与dv/dt有助于优化开关期间的电压-电流重叠损耗。

GaN器件有望敲开千亿级电机驱动器市场大门

近年来，工业应用中的电机很快将需要满足新的能效标准，即IE4和IE5，目前正在不断发展的直流无刷电机/永磁同步电机（BLDC/PMSM）、同步磁阻电机（SRM）及感应电机有望能够达到这个能效等级，而此类电机都需要电机驱动器来进行驱动。

目前BLDC/PMSM电机具有高效率和高扭矩密度，但比感应电机更难驱动；SRM造价低，效率高，但也难以驱动，且扭矩密度低。在工业应用中最广泛的感应电机，易于驱动，且造价低，但它的扭矩密度和效率都低。

目前的趋势是，工业电机开始越来越广泛地使用逆变器来达到所需要的能效等级，这为使用宽禁带逆变器来推动电机，甚至包括感应电机在内的电机效率达到更高能效等级提供了可能。

图：电机驱动器中使用宽禁带器件的机会（来源：英飞凌）

就拿最近非常热门的机器人市场来说，不少机器人的电机驱动器就开始尝试采用GaN器件来设计其电机驱动器。比如，在7月25日，杭州东渐氮化镓半导体有限公司宣布与上海海神机器人科技有限公司合作研发适用于海、陆空机器人的新一代高性能芯片。

此外，英飞凌、瑞萨（收购了氮化镓厂商Transphorm）、EPC、TI等厂商也都推出了GaN相关的器件和解决方案，助力打造更紧凑、更高精度的电机驱动器。

根据英飞凌官网的信息，该公司推出了100V、3mΩ CoolGaN HEMT，基于此设计的电机驱动系统展示了在机器人应用中通过提高开关频率来提高系统效率和功率密度的潜力，同时减小了系统尺寸和改善了热管理。

瑞萨收购的Transphorm为安川电机的新型伺服电机提供GaN FET产品，助力安川电机新品能够实现更小的外形尺寸及更好的性能。

图：EPC在展会上展示的基于GaN的电机驱动器解决方案（来源：EPC，芯查查拍摄）

EPC则在两年前就开始推出一系列基于GaN FET的电机驱动器开发板，比如EPC23102、EPC2619、EPC2302 和 EPC23101等，可应用于eBike、电动两轮车、机器人等领域。

图：TI新推出的GaN电机驱动模块DRV7308简化原理图（来源：TI）

TI也在今年特别推出了一款GaN智能电源模块（IPM）DRV7308，它是一款三相智能电源模块 (IPM)，其中包含205mΩ、650V 增强型GaN，用于驱动高达450V 直流电源轨的三相 BLDC/PMSM 电机。这类应用包括 BLDC 电机的场定向控制 (FOC)、正弦电流控制和梯形电流控制（六步）。该器件有助于为采用QFN 12mm x 12mm 封装、在 20kHz 开关频率下运行的三相调制 FOC 驱动型 250W 电机驱动应用实现99% 以上的效率，无需散热器。该器件有助于实现超静音运行和超短的死区时间。使用具有自举电流限制功能的集成自举整流器，无需使用外部自举二极管。

图：DRV7308电路板与250W IGBT解决方案的比较（来源：TI）

据TI介绍，使用GaN IPM 优势和小封装尺寸有助于将 PCB 尺寸缩小 65% 以上，从而降低 PCB 和散热器件的成本。

而现在高能效电机的市场规模其实不小，就拿BLDC电机市场来说，据Grandview research统计，2023年全球BLDC电机市场的规模约为198.64亿美元，而一般来说BLDC电机的价格与其驱动器的价格相当，因此可以估算出BLDC驱动器的市场规模也约为198.64亿美元，换算成人民币超过了1000亿元，GaN器件如果能够在高能效电机驱动器市场得到大规模应用，其市场潜力将不可小觑。

在电机驱动器中使用GaN的挑战

看起来是很美好的，那为什么现在电机驱动器中很少有见到使用GaN器件呢？它他规模应用到底有哪些挑战呢？

在不久前的PCIM Asia现场，EPC的Chris Cheung对芯查查表示，GaN好处显而易见，但仍然面临一些挑战。他举例说，一是GaN的平均价格比MOSFET要更高一些；二是其Vgs驱动电压从MOSFET的10V降低到了5V，很多主控并没有匹配，而匹配了的价格又不便宜；三是与之匹配的平板变压器也是新兴产品，价格也偏贵。

图：基于EPC GaN器件的电机驱动器开发板（来源：EPC，芯查查拍摄）

也就是说，即便是GaN本身的价格降下来了，其周边器件的成本如果偏高的话，系统整体成本相对于硅基MOSFET来说仍然是偏贵的，这会阻碍GaN器件的普及。

但他相信未来GaN器件的普及拐点将至，GaN普及的机会来了。

Chris Cheung提到，EPC在GaN领域耕耘多年，虽然目前匹配GaN器件的主控不多，但他们还是找到了一些，比如有MicrochipD dsPIC33xx、RA6T2/RA4T1系列MCU、ST的Nucleo系列MCU、TI的F28xxx系列DSP等。这些主控的信息在芯查查都有详细的数据，有需要的工程师可以上芯查查查询。

图：瑞萨RA6T2芯片资料信息（来源：芯查查）

根据平台数据的信息，RA6T2系列MCU是瑞萨第二款针对电机和逆变器控制解决方案的RA ASSP产品，该芯片将Arm Cortex M33与用于电机控制的硬件加速器，以及用于实现240MHz高速实时性能的高速闪存相结合。可以实现下一代高速、高响应电机算法，并提高其他通信处理等并行处理性能。该系列有20种不同的型号，使用5种不同的封装形式。

结语

与硅器件相比，GaN等宽禁带开关器件可使电机驱动系统以更高的开关频率运行，从而可以实现更高的总体系统效率。未来随着GaN器件及与之配套的外围器件的成本降低，定能推开电机驱动器市场的大门。

来源于芯查查，作者程文智

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