氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)已成為電力電子領域的革命性技術。最初，氮化鎵技術是為高頻應用(射頻)開發的，后來因其性能遠超傳統硅基半導體，在快速充電解決方案中嶄露頭角。

作為一種寬禁帶半導體，氮化鎵具有高電子遷移率，可承受更高電壓、工作在更高頻率且發熱更少。這些特性使其成為緊湊、高效、快速充電解決方案的理想選擇，尤其適合智能手機和筆記本電腦等普及設備。

由于市售氮化鎵晶體管多為650V耐壓規格，它們也非常適合高壓電機驅動應用。其核心優勢包括更高的功率密度和效率、更低的散熱需求以及緊湊的系統設計，從而實現高速精準的電機控制。這對機器人、航天器、電動汽車和無人機等空間受限且能效要求嚴苛的行業尤為重要。

電機控制用三相逆變器

電壓源逆變器(VSI，圖1a)是電機驅動系統的核心部件，負責將直流電轉換為三相交流電以驅動電機。它由三個橋臂構成，每個橋臂包含兩個開關管(上管和下管)，共六個功率器件(如MOSFET、IGBT或氮化鎵HEMT)組成橋式結構。

圖1

通過控制各橋臂在Vdc與地之間的切換，逆變器在每個開關節點生成調制電壓波形。這些電壓經電機繞組(或外置低通濾波器)濾波后，產生相位差120°的三相正弦輸出電壓。逆變器采用脈寬調制技術調節輸出電壓和頻率，從而控制電機轉速與扭矩。

三相逆變器的主要要求

逆變器工作時，電荷不可避免地會在開關電容間遷移。MOSFET中這與輸出電容相關，而IGBT因反并聯二極管的存在機制不同。

為防止橋臂直通(上下管同時導通)，必須設置死區時間確保兩管短暫關斷。此期間隨著能量持續輸入電機，電流會流經MOSFET的體二極管或IGBT設計中的外置反并聯二極管。

二極管關斷需要反向恢復電荷(Qrr)，該過程恰發生在開關管兩端電壓峰值時，導致開關損耗并降低逆變器整體效率。

氮化鎵技術顯著提升效率

在電機驅動中，最小化導通和開關損耗對減少能量浪費至關重要。此外，快速開關可提升控制精度、降低諧波失真，而高功率密度和空間限制要求設計緊湊輕量化。

在寬禁帶技術設計論壇上，英飛凌科技強調了氮化鎵技術的優勢。圖2對比了影響電機驅動性能的關鍵參數，分別采用6A IGBT和140mΩ CoolGaN HEMT。

圖2

使用650V氮化鎵器件時，所有關鍵參數均得到系統性改善。例如消除Qrr可大幅降低開通損耗(尤其在死區時間結束時)。更低的輸入電容減少了驅動損耗，而更低的反向傳輸電容(Crss，即米勒電容)特別有利于三相逆變器，能降低寄生導通風險從而避免直通。

值得注意的是，氮化鎵HEMT還可實現與檢測電阻的單片集成及內置短路保護，進一步增強系統可靠性。

高頻運行特性

隨著開關頻率提升，因電纜長度導致的信號反射和電機繞組間電容等因素，電機端會出現高頻振蕩。這些高頻分量僅產生能量損耗(有效轉矩僅由基頻生成)，可選用低通濾波器抑制。

通過分離高低頻分量，提高開關頻率可削弱高頻包絡，從而降低主要取決于電流紋波的高頻電機損耗。但過高開關頻率會增加逆變器損耗，此時氮化鎵晶體管的低功耗優勢尤為突出。

最優開關頻率選擇

以典型3馬力高壓永磁同步電機為例(320V/12.5A供電，轉速1800rpm)。通過對比碳化硅與氮化鎵設計的逆變器損耗和高頻電機損耗(圖3)，總損耗最小化對應的最優開關頻率約為20kHz。該頻率下運行還能延長電機壽命，是消費級電機驅動的實用選擇。

圖3

傳統硅基技術(IGBT或超結CoolMOS)在300W以下功率級可不使用散熱器(需采用智能功率模塊或足夠大的PCB)。而300-500W范圍則需散熱片和冷卻風扇。采用氮化鎵開關時，借助創新封裝技術可將無散熱器方案擴展至1kW。在1-3kW范圍內，氮化鎵技術更能實現顯著節能，降低散熱要求。

無刷電機與CoolGaN評估板

英飛凌開發的評估板采用5×6 ThinPak封裝的140mΩ CoolGaN晶體管驅動無刷直流電機。憑借高效率，該系統在1kW功率下無需散熱器，最高溫度仍低于75℃。

關鍵工作條件：

1kHz開關頻率

10V/ns壓擺率

200ns死區時間

2.5A有效值電流

相比6A IGBT，該方案在100%和50%負載下均實現70%的節能。氮化鎵更平滑的開關轉換還帶來更低EMI輻射——盡管其dV/dt更高，但因無反向恢復、更低共模噪聲和優化封裝，整體EMI仍低于慢速硅器件。關鍵在于非線性區停留時間縮短，減少了高dV/dt與di/dt相互作用產生輻射EMI的持續時間。

英飛凌表示，其新型集成CoolGaN Drive結合PSoC Control C3微控制器和XENSIV電流傳感器，可實現更高功率密度。

雙向氮化鎵HEMT的未來發展

電流源逆變器(CSI，圖1b)需電感維持恒流供電，要求持續導通路徑。電流中斷會產生高壓尖峰，可能損壞電感或其他元件。

CSI拓撲需要能雙向阻壓但單向導通的開關管。因逆變器拓撲中開關端會承受極性變化的電壓，雙向阻壓能力可確保開關耐受反向電壓并隔離電路。傳統硅器件需串聯笨重二極管來實現雙向阻壓，而氮化鎵HEMT天然支持該功能(通常采用共源配置的雙HEMT結構)。

基于氮化鎵雙向開關的CSI拓撲可工作在更高開關頻率，使無源元件更小巧并提升系統效率。這使氮化鎵CSI特別適合高性能電機驅動、并網逆變器和航空航天電力電子。

CSI拓撲的優勢

CSI在工業大功率電機和可再生能源系統中具有獨特優勢：

固有短路保護：電感調節直流側電流，自然限制故障電流

再生制動能力：實現能量回饋直流源

提升電機性能：近似正弦的電流波形減少發熱和轉矩脈動

降低輸出濾波需求：相比VSI諧波失真更小

浮思特科技深耕功率器件領域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及單片機(MCU)、觸摸芯片，是一家擁有核心技術的電子元器件供應商和解決方案商。