电机驱动在工业和商业领域的广泛应用导致其电力消耗占欧洲电力总量的近 50%【1】。为了提升能源效率，各国政府制定了诸如 IEC 61000 等标准，限制电网干扰并提高设备抗扰性。传统恒速感应电机虽然简单可靠，但能效低，而变速驱动器 (VSD) 已成为主流选择，其能耗可减少高达 90%【2】。然而，随着技术的进步，如何进一步优化 VSD 的性能和可靠性成为关键。

GaN 技术的优势

氮化镓 (GaN) 是一种宽禁带半导体，与传统硅器件相比，具备更高的开关速度、更低的功率损耗以及更小的尺寸。这些特性使其在功率因数校正 (PFC) 和电机逆变器中具有显著优势。

1. 开关损耗降低
   GaN FET 的开关速度比硅 IGBT 或 MOSFET 快 20 倍，总功率损耗降低约 50%，使设备散热需求大幅减少。

2. 尺寸与成本节约
   由于散热需求降低，散热器可缩小或完全省略。例如，在低功率驱动器中，去除散热器不仅降低了制造成本，还减轻了设备重量，进一步节约运输费用。

3. 可靠性提升
   GaN 器件无反向恢复电荷，能有效减少开关过程中的电压应力和寄生效应，从而提高系统稳定性。

集成设计的革新：GaNSense 技术

Navitas 的 GaNSense 技术通过将 GaN 功率器件与驱动、保护和传感功能集成，创造出高可靠性、紧凑型的电机驱动解决方案：

• 集成功能
  GaNSense 芯片集成了逻辑电路、稳压器、温度传感和过流保护，显著减少了 PCB 面积和外部元件需求。

• 实时保护
  GaN FET 内部集成的温度和电流传感功能，能在 30 ns 内响应异常，比传统硅器件快 6 倍。这种快速保护对于高温、高振动的工业环境尤为重要。

• 减少元件数量
  无需分流电阻器的无损电流感测技术，不仅减小了设备尺寸，还降低了故障率。

应用案例：400W 电机集成逆变器

Navitas 提供了以 NV6247 半桥 GaN 功率 IC 为核心的 400W 电机集成逆变器参考设计，展示了 GaN 技术在高性能工业应用中的潜力：

1. 紧凑设计
   圆形 PCB 的直径仅为 56 mm，可直接安装在电机外壳内，进一步缩短了逆变器与电机的连接路径，提高了系统效率。

2. 减少外部元件
   每个逆变器相支路仅需少量外部组件，例如栅极驱动电容、功率电容及少量设置电阻，设计简化且高效。

3. 高精度控制
   集成的电流与温度传感技术可提供精确的实时监测，确保在高温环境下系统稳定运行。

成本效益分析

采用 GaN 技术的电机驱动系统在初期成本上可能略高，但其通过以下方式显著节约长期成本：

• 降低能源消耗和散热需求；

• 减少器件数量，提升可靠性并降低维修需求；

• 轻量化设计减少运输和安装成本。

展望

随着技术的不断进步和 GaN 器件价格的逐步下降，GaN 技术将成为电机驱动领域的标准选择。Navitas 的创新产品如 NV6247 提供了高度集成和高性能的解决方案，特别是在工业自动化、电动车驱动以及可再生能源应用中，具备广阔的前景。