近年来宽禁带半导体市场持续升温，氮化镓（GaN）功率晶体管发展最为迅速，以科技之力席卷充电、探测及航天电子领域。根据TrendForce最新发布的《全球氮化镓功率器件市场分析报告》报告显示，2023年全球GaN功率市场规模约为2.71亿美元。在接下来的几年里，该市场的复合年增长率（CAGR）将达到49%，到2030年将达到43.76亿美元。此外，TrendForce指出：“非消费类应用的比例将从2023年的23%增加到 2030 年的 48%，汽车、数据中心和电机驱动将成为核心应用场景”。在人工智能技术的发展过程中，GaN迅速受到青睐。由于一些功率器件提供的效率有限，未能满足不断增长的计算需求以及CPU和GPU的高能耗而引发问题。然而氮化镓能够满足先进人工智能计算的需求，因此越来越受欢迎。如今，GaN器件开始在电机驱动器市场开始崭露头角。

GaN在电动机驱动器中的市场

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。

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。

GaN如何提高逆变器效率

目前变频驱动器通常采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。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。采用GaN基电源开关的逆变器设计，不仅突破了传统MOSFET与IGBT的局限，更在提升功率密度、加速电力输送与能效优化上展现出非凡潜力。

图：开关技术在电机驱动应用中的定位（来源：英飞凌）

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。

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在电机驱动器行业中的挑战

尽管氮化镓（GaN）技术在电机驱动领域展现出巨大的潜力和优势，如更高的电子迁移率、击穿电压和导通电阻，能以更高频率运行并降低功率损耗，但目前电机驱动器中较少见到使用GaN器件。

在不久前的PCIM Asia现场，EPC的Chris Cheung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V_gs驱动电压从MOSFET的10 V降低到了5 V，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。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。（芯查查）

图：基于EPC GaN器件的电机驱动器开发板（来源：EPC，芯查查拍摄）

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240 MHz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。

GaN等宽禁带开关器件相较于传统硅器件，在电机驱动领域展现出显著优势，其高开关频率特性直接促进了系统整体效率的大幅提升。展望未来，随着GaN器件及其配套组件成本的不断下探，这一创新技术将更广泛地渗透至电机驱动器市场，开启高效能驱动新纪元。其应用潜力的释放，不仅预示着技术革新的加速，也为电机系统能效升级铺平了道路，引领行业向更加绿色、节能的方向迈进。

来源：搜芯易、芯查查资讯

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