在電機控制設計中,工程師們始終面臨一個經典難題:如何在有限的空間內,實現更高的效率、更低的溫升和更優的動態響應?

傳統硅基MOSFET方案受限于開關速度與損耗,往往不得不在性能與體積之間妥協。如今,英飛凌CoolGaN?低壓氮化鎵晶體管與全新PSOC? Control C3微控制器的組合,為低壓電機控制帶來了系統級的突破——更小、更冷、更靜、更快。

從器件到系統:CoolGaN?的價值飛輪

與硅基MOSFET相比,CoolGaN?低壓GaN晶體管在器件層面具備顯著優勢:

• 更低的導通電阻(RDS(on))與輸出電荷(Qoss)

• 零反向恢復電荷(Qrr),消除體二極管損耗

• 更小的柵極電荷(Qg),降低驅動損耗

• PQFN超低電感封裝,支持更高開關頻率

這些特性最終轉化為系統層面的多維提升:

• 功率密度躍升:開關頻率可從20kHz提升至100kHz以上,電解電容被MLCC替代,系統厚度從21mm降至3.1mm,體積縮小50%

• 電機溫度顯著下降:以380W電機為例,20kHz時系統效率89%,GaN器件溫度38℃;提升至100kHz后,效率躍升至96%,繞組溫度下降13℃

• 電流紋波與轉矩脈動降低:更短的死區時間(可低至15ns)使相電流波形更接近理想正弦,電機運行更平穩

• 可聽頻段噪聲消除:開關頻率提升至20kHz以上,完全避開人耳可聽范圍

死區時間:被忽視的性能關鍵

死區時間的長短直接影響電機控制精度。硅基MOSFET由于體二極管反向恢復慢,通常需要數百納秒的死區時間,導致過零點附近電流失真、電壓利用率下降。

CoolGaN?的零反向恢復特性,允許死區時間可縮短至15 ns級。實測表明,死區時間從100ns縮短至10.3ns時,系統聲學頻譜噪聲顯著下降,轉矩脈動明顯改善,電機軸控制精度大幅提升。

電機損耗:GaN帶來的“意外”收益

高開關頻率不僅影響逆變器,同樣影響電機本身。電機內部存在兩類損耗:磁滯損耗與渦流損耗,均與開關頻率正相關。以電機電感20 μH、功率380 W的系統為例:

• 20kHz時,電流紋波峰峰值約10A

• 100kHz時,電流紋波降至5A

這意味著電機內部損耗降低,繞組溫度下降,允許使用更小尺寸的電機,甚至減少銅線用量,進一步降低系統成本。

成功案例:從無人機到伺服驅動

客戶已將CoolGaN?的優勢轉化為實際產品:

• 無人機ESC:移除電解電容,改用頂部散熱設計,實現高度降低、重量減輕

• 伺服驅動:從堆疊式轉換器簡化為單板設計,安裝更便捷,體積顯著縮小

英飛凌提供完整的參考設計支持,包括全集成參考設計(30×5×6mm)、CoolGaN?評估板(支持20A至150A RMS電流能力),所有項目文件均可下載,助力客戶快速啟動設計。

CoolGaN?產品組合:覆蓋多種需求

英飛凌低壓CoolGaN?產品線涵蓋40V-200V電壓范圍,提供多種封裝選擇:

• PQFN 3x3 / 3x5:雙面散熱選項,性能優化

• RQFN 5x6:與SuperSO8引腳兼容,可直接替換現有OptiMOS?設計

• 集成功率級(IPS):集成柵極驅動器,可選電流檢測與保護功能,簡化1kW以下應用設計

• 雙向開關(BDS):單片集成,適用于電池管理系統、固態繼電器等

未來還將推出第五代(G5)產品,進一步降低RDS(on)×面積,同時推出新一代IPS,集成更多保護與檢測功能。

PSOC? Control C3:為GaN而生的MCU

要實現GaN的全部潛力,需要匹配的MCU。英飛凌全新PSOC? Control C3系列專為實時控制而生:

• 高性能外設:12路ADC,16個并行采樣保持通道,定時器頻率達240MHz

• 高分辨率PWM:實現更精細的占空比控制,減小電流紋波,提升效率

• 低延遲互連:ADC、定時器、比較器深度耦合,支持微秒級響應

• 超低待機功耗:延長電池供電設備續航

• 高級安全特性:通過PSA二級認證,保障系統安全

產品線分為三條:Performance Line、Main Line、Entry Line,滿足從高端多電機控制到基礎功率轉換的多樣化需求。器件型號后綴M(電機控制)與P(功率轉換),方便選型。

軟硬協同:ModusToolbox? Motor Suite

硬件之外,英飛凌提供統一的軟件平臺ModusToolbox?,包含:

• Motor Suite GUI:可視化調參,內置虛擬示波器,無需額外測試設備

• FOC庫:支持有傳感器/無傳感器,涵蓋多電機控制

• 交鑰匙參考方案:可快速移植到目標MCU

工程師可在同一平臺上,完成從原型驗證到量產部署的全流程,顯著縮短開發周期。

總結:系統級優勢,值得信賴的伙伴

CoolGaN?與PSOC? Control C3的組合,帶來的是系統級的全面提升:

• 更高效率:開關損耗降低,電機溫升下降,系統效率提升7個百分點以上

• 更高密度:體積縮小50%,高度從21mm降至3.1mm

• 更優控制:死區時間縮短,電流紋波降低,轉矩脈動減小

• 更低噪音:開關頻率移出可聽頻段

• 更快開發:參考設計、軟件庫、GUI工具一應俱全

英飛凌以自主可控的晶圓廠、全球首條300mm GaN產線、超過400名GaN專家團隊,為客戶提供可靠的供應保障與持續的技術創新。