機器人在不同的市場領域中都有著廣泛應用，并呈現出多種形式，其中包括服務機器人、協作機器人（cobot）、工業機器人 、自動駕駛無人機 和自動導引車輛等。對于一個成功的機器人應用，其關鍵因素之一是確保最佳馬達驅動設計。基于硅器件的馬達驅動器需要在效率和尺寸之間進行折衷，例如，以較高的開關頻率運行雖然能夠采用較小的無源元件，但由于具有相當大的開關損耗而導致很多散熱。用氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）代替硅開關可以避免這些性能折衷。本文將探討這種推測是否真的適合基于GaN器件的馬達驅動系統。
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基于GaN的馬達驅動器結構與設計

圖1所示為100 V 基于GaN器件的馬達驅動器的頂層框圖，該設計以半橋電路為中心，采用兩個100 V、3 mΩ的CoolGaNTM SG HEMT，每個HEMT在封裝頂部都有一個裸露的管芯，因而能夠實現雙面冷卻。半橋電路具有最小的環路電感（400pH），這使得能夠在1ns范圍內實現非常快的電壓轉換，而不會超過峰值漏極電壓額定值。
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圖1：基于CoolGaN? SG HEMT 100 V馬達驅動。

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為此設計選擇的柵極驅動器是1EDN7126G，它是1EDN 71x6G EiceDRIVER? 柵極驅動器系列的一個成員，專門設計用于與GaN開關以及邏輯電平MOSFET一起使用。從0.5A（1EDN7146G）到2A（1DEN7116G）的多種不同拉/灌（source/sink）電流強度可提供開關速度的靈活性。同時，與具有獨立柵極電阻器的設計相比，布局復雜度和環路電感都有所降低。
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“真差分輸入”（TDI）是該柵極驅動器系列的一個特點，即便在快速開關瞬態期間也能保證穩定運行。它能夠為高壓側開關提供共模電壓抑制，也能為低壓側提供抗接地反彈干擾能力。此外，1EDN71x6G系列在輸出級還具備有源米勒箝位（Miller clamp），在柵極電壓降至低于0.4V后不到3ns內，該箝位可將其下拉（pull-down）強度增加到5A。這允許改變GaN HEMT的關斷速度，而不會增加其對感應導通敏感性的抗擾度。0.3Ω的低下拉電阻意味著一旦驅動器鎖存，即便處在高速開關事件期間，柵極電壓也能安全地保持在0V。
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三個半橋電路包括單獨的溫度和相內（in-phase）電流感測。電路板的兩側都使用了薄型100 V陶瓷，以確保總直流鏈路電容超過80μF。高開關頻率降低了這些電容器上的紋波電流，可以不再使用大型電解電容器。
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該設計使用48V至5V降壓DC/DC轉換器來向低側柵極驅動器提供穩壓電源電壓，1EDN71x6G EiceDRIVERTM的主動自舉箝位功能用于為高側柵極驅動器供電。
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相對于傳統的低側電流測量，同相電流感測更具有優勢，因為它能夠優化高頻功率環路電感，并充分利用CoolGaN HEMT提供的較快開關速度。隔離式同相電流傳感器比差分電流放大器具有更好的電壓瞬態抗擾性。通過采用基于單片霍爾技術的無磁芯設計，XENSIV? TLI4971滿能夠滿足這些要求，提供非常線性的輸出，可配置的傳感范圍從±25到±120A，240 kHz的帶寬能夠滿足苛刻的磁場定向控制（FOC）應用要求。
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XMC4400驅動卡可提供無傳感器磁場定向控制，最大開關頻率為100 kHz，控制回路更新為20 kHz。若將控制頻率提高到與開關頻率相同，則能夠在需要快速動態控制響應的應用中支持甚至更高的控制帶寬。
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馬達驅動設計的俯視圖、側視圖和仰視圖如圖2所示。整個馬達驅動的所有組件，包括直流鏈路電容、電流傳感器、輔助電源和方便的測試點，都位于一個只有56 mm x 40 mm的矩形區域內，電路板的厚度只有3.7mm。因此，該解決方案的總體積為8.3 cm3，這意味著在需要1kW功率處理能力的應用中，該馬達驅動器的功率密度為120W/cm3或2kW/in3。

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圖2：CoolGaN? 馬達驅動的俯視圖、側視圖和剖面圖。

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限制馬達電壓變化率的兩個因素是繞組絕緣損壞和軸承磨損。繞組絕緣對于48V馬達（通常具有更高電壓等級的絕緣額定值）來說不是一個大問題，但軸承磨損可能是一些48V馬達的重要關注因素，因此，出于這些原因，馬達驅動器的開關速度有時會受到限制。然而，將驅動器連接到馬達的電纜會顯著影響馬達側的有效dV/dt，如圖3所示。在本文中，馬達處的dV/dt比在CoolGaN馬達驅動器上看到的大約低一個數量級。此外，在確定軸承壽命時，必須考慮特定應用因素，如機械載荷、標稱轉速（RPM）和溫度等。
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圖3：比較開關波形，包括直接在具有緊密探測回路的開關節點處，在略微延伸的探測回路的螺釘端子處，以及直接在使用光學隔離差分探頭測量的兩相之間馬達端子處。

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更高開關頻率實現更高系統效率

系統設計師在選擇開關頻率時，CoolGaN?高速開關器件能夠提供更多的選擇，能夠使設計師綜合考慮端到端效率和解決方案總體尺寸，而不是只關注逆變器效率。
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這種基于CoolGaN?的馬達驅動系統效率的測量，是在20、60和100 kHz開關頻率下，結合市售的低電感（20μH相到相）高極數（high pole-count）（14P）無人機馬達來完成。使用萬用表測量逆變器的直流電輸入功率，使用測力計測量馬達的機械輸出功率。為了進行比較，圖4顯示了20 kHz和100 kHz下以100W和500W運行時的相電流波形。較高的開關頻率致使電流紋波、均方根電流和發熱顯著降低。在100W時，RMS電流從5.6A降低到4.5A（降低20%）；在500W時，它從26.2A降低到23.1A（降低12%）。

圖4：100W（左）和500W（右）運行時的相電流波形。

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雖然在輕負載下，較高開關頻率使RMS相電流的相對降低比較明顯，但在整個負載范圍內，繞組溫度方面的益處更大。在500W機械輸出功率下，繞組溫度從20 kHz時的110℃降至100 kHz時的約80℃（參見圖5）。這對于協同機器人等需要控制散熱的應用非常重要。
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圖5：20、60和100 kHz運行時的馬達繞組溫度。

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馬達中較低的紋波電流降低了繞組和磁芯的損耗，從而降低了馬達溫度。然而，開關損耗卻與開關頻率成比例，從而可提高逆變器的功率損耗和溫度。在傳統的基于MOSFET或IGBT的設計中，由于開關損耗較高，這個問題是一個負面因素，但由于CoolGaN?HEMT具備極低的開關損耗，端到端效率隨著開關頻率的提高而改善，如圖6所示。
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圖6：20和60 kH的端到端效率。

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總結

本文介紹了選擇無傳感器FOC方案用于48V系統的基于GaN馬達驅動器設計。
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設計評估表明，GaN器件能夠實現更高的開關頻率，而不會降低系統效率或給熱管理帶來更多限制。采用更高的開關頻率導致更低的馬達溫度、更高的端到端系統效率、以及更高的功率密度。這種方案具備的較小外形尺寸意味著馬達驅動器可以嵌入到馬達底盤附近（例如機器人手臂內部），從而減輕長連接器電纜引起的EMI。
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