摘要：本文详解GaN技术在3kW以内电机驱动与逆变器系统中的系统级优势，强调其在降低功耗、简化结构、减少BOM成本以及实现更高功率密度和更平稳控制方面的表现。Cambridge GaN Devices的ICeGaN产品以兼容传统驱动、集成电流检测和可调开关速度等特性

本文详解GaN技术在3kW以内电机驱动与逆变器系统中的系统级优势，强调其在降低功耗、简化结构、减少BOM成本以及实现更高功率密度和更平稳控制方面的表现。Cambridge GaN Devices的ICeGaN产品以兼容传统驱动、集成电流检测和可调开关速度等特性，进一步降低了设计门槛，推动GaN在中低功率段电机应用中的加速普及。

作者：Di Chen，业务发展与技术市场总监，CGD。

关键词：GaN器件、电机驱动、逆变器系统

虽然氮化镓（GaN）在过去十年一直被视为逆变器和电机驱动应用的潜力技术，但实际落地的应用却寥寥无几。如今，随着GaN在充电器等其他领域已经得到验证，其价值正逐步被电机驱动制造商认真评估，并开始进入实际设计阶段。

在充电器市场中，推动GaN迅速普及的关键因素是体积（功率密度）的需求。GaN的引入使得充电器可以在体积更小的同时输出更高功率，且更加便携美观。而在电机驱动领域，尺寸虽重要，但并非普遍关键。在传统的变频驱动（VFD）电机应用中，例如用于泵或风扇的工业电机，输出通常是直接三相连接电机绕组，且没有输出滤波器，因此也就没有缩小被动器件的动力。换言之，提高开关频率并不能带来显著优势。同时，电机驱动和逆变器市场已高度成熟，且价格敏感度极高。

但随着GaN价格的持续下降，特别是在100W至2kW的中低功率段，逆变器市场的新技术趋势为GaN提供了切入点。

图1显示：GaN的优势不仅仅在于体积缩减

图 1：分立器件和 IPM MOSFET/IGBT 及 GaN 解决方案的功率输出比较

GaN器件的发热远低于传统器件，使得在相同封装体积下可实现更高功率输出，从而简化系统结构、提高可靠性并提升功率密度。在图中我们看到，相较于传统分立式MOSFET和IGBT方案，GaN无需散热片即可支持超过300W的输出。如果散热片可以被移除，那么系统的尺寸、重量、成本、可靠性与可制造性都会得到提升。而在更高功率需求场景（如几千瓦）中，加装散热片后，GaN仍可满足功率输出要求。

GaN技术的另一优势在于：无需改变成熟系统的设计。比如，现有20kHz开关频率的设计完全可以无缝移植GaN器件，让设计工程师在熟悉的“舒适区”内完成升级。例如，传统500W电机驱动系统可能使用TO-247封装的IGBT并配合大散热片，而改用GaN后，仅需一颗8x8 DFN封装器件，且无需散热片，PCB即可完成散热任务。

在某些流行应用如空调或无刷直流电机（BLDC）的集成功率模块（IPM）中，GaN也展现出同样的价值：在相同封装尺寸下支持更高功率、降低散热需求、简化结构。

图2与图3对比了GaN与IGBT在开关损耗与效率方面的差异：

图 2：GaN 器件的开关损耗比 IGBT 低得多

图3：GaN具有非常高且平坦的能效特性

与IGBT（目前3kW/650V以内的主流方案）相比，GaN具备6倍更低的开启损耗与9倍更低的关断损耗。其导通损耗也更低，使得轻载下的效率表现尤为出色。相比之下，IGBT存在“起控电压”（如0.7V），低于该门槛无法导通。这使得在低负载（如

因此，即使在低开关频率下，GaN也显著提升系统效率，并通过降低或去除散热片、风扇、绝缘金属基板（IMS）或直接键合铜（DBC）等热管理组件，从而降低BOM成本。普通的FR4电路板即可胜任，这也使得系统更可持续，有助于满足能效标准并减少电子垃圾，同时显著降低单位功率成本（$/W）。

在某些应用场景，提高开关频率也是一种优势

高开关频率可带来更柔和、安静的运动控制体验，降低可听噪音（特别适用于吊扇、热泵、冰箱等应用），并减少电流波动和总谐波失真（THD）。IGBT的频率限制通常为50kHz，而GaN则可轻松提升至100-200kHz。

为什么选择ICeGaN？

GaN技术现在已在3kW以内的电机驱动和逆变器应用中展现出显著的系统级优势。Cambridge GaN Devices（CGD）推出的ICeGaN，是一种增强型GaN-on-Silicon功率晶体管技术，具备极高易用性。

无需特殊驱动器。设计人员可直接使用现有驱动MOSFET或IGBT的芯片来驱动ICeGaN器件，无需变更驱动电路。IGBT多在15V下驱动，ICeGaN的工作范围是9-20V，15V正处于其理想区间，非常适合保守、成熟的电机驱动设计团队。

在图4中，展示了一个为IGBT设计的三相功率板（未进行任何门极回路优化）。通常，这类设计并不考虑高速开关的回路布线问题。

图4：无环路优化的三相评估板

但如图5所示，ICeGaN器件仍然实现了极为干净的波形，主要得益于其内部集成的Miller钳位功能（Miller Clamp），可在关断时稳固地保持栅极电压，抑制误导通现象。

图 5：ICeGaN 优势——可控压摆率

ICeGaN额外优势：

可控的开关速度（slew rate），无过冲与振铃；

更小的驱动电流需求（仅100mA），远低于IGBT的1A以上，非常适用于内部集成驱动能力较弱的电机控制IC；

芯片内置电流检测功能，免去电流采样电阻；

与部分GaN厂商集成驱动器不同，ICeGaN并不强制集成驱动电路，从而保留了slew rate可调性与离散设计的灵活性。

总结：

GaN技术在电机驱动与逆变器设计中展现出显著优势：提高可用功率、降低BOM数量与成本、并通过更高开关频率实现更平稳、安静的运动控制。Cambridge GaN Devices的ICeGaN解决方案提供了即插即用的升级路径，兼容现有驱动设计，无需复杂的布局优化，极大地降低了设计门槛。

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来源：宽禁带联盟