Cum se utilizează dispozitivele de putere GaN pentru invertoare de motor superioare din gama medie

Promovarea unei utilizări mai eficiente a surselor de energie, cerințele de reglementare mai stricte și avantajele tehnice ale unei funcționări la temperaturi mai mici susțin inițiativele recente de reducere a puterii consumate de motoarele electrice. Deși tehnologiile de comutație, cum ar fi MOSFET-urile de siliciu, sunt larg răspândite, acestea nu pot îndeplini adesea obiectivele mai exigente de performanță și eficiență ale aplicațiilor critice ale invertoarelor.

În schimb, proiectanții pot îndeplini aceste obiective folosind nitrură de galiu (GaN), o tehnologie de dispozitiv FET cu bandă interzisă largă (WBG) care s-a îmbunătățit și a avansat în ceea ce privește costul, performanța, fiabilitatea și ușurința de utilizare. Dispozitivele GaN sunt în prezent utilizate pe scară largă și au devenit alegerea preferată pentru invertoarele cu un nivel mediu de putere.

Acest articol analizează modul în care cea mai recentă generație de FET-uri pe bază de GaN de la Efficient Power Conversion Corporation (EPC) permite utilizarea invertoarelor de motor de înaltă performanță. Prezintă plăci de evaluare pentru a-i ajuta pe proiectanți să se familiarizeze cu caracteristicile dispozitivelor GaN și să accelereze proiectarea.

Ce este un invertor?

Rolul unui invertor este de a crea și de a regla forma de undă a energiei care acționează un motor, care este adesea de tip curent continuu fără perii (BLDC). Acesta controlează turația și cuplul motorului pentru o pornire și o oprire lină, mersul înapoi și viteza de accelerare, printre alte cerințe. De asemenea, trebuie să se asigure că performanța dorită a motorului este atinsă și menținută în ciuda modificărilor de sarcină.

Rețineți că un invertor de motor cu ieșire de frecvență variabilă nu trebuie confundat cu un invertor de linie c.a. Acesta din urmă preia curentul continuu de la o sursă, cum ar fi o baterie de mașină, pentru a furniza o formă de undă c.a. de 120/240 de volți cu frecvență fixă, care se apropie de o undă sinusoidală și se poate utiliza pentru a alimenta dispozitive care funcționează pe linie de alimentare.

De ce să luați în considerare GaN?

Dispozitivele GaN au atribute atractive în comparație cu siliciul, inclusiv viteze de comutare mai mari, o rezistență mai mică la pornire (R_DS(ON)) de la drenă la sursă și o performanță termică mai bună. Datorită valorii R_DS(ON) mai mici, aceste pot fi utilizate în motoare mai mici și mai ușoare și reduc pierderile de putere, economisind energie și costuri în aplicații precum bicicletele electronice și dronele. Pierderile de comutare mai mici conduc la acționări mai eficiente ale motoarelor, care pot extinde autonomia vehiculelor electrice (EV) ușoare. Vitezele de comutare mai rapide permit un răspuns al motorului cu latență redusă, esențial pentru aplicațiile care necesită un control precis al motorului, cum ar fi robotica. De asemenea, FET-urile GaN pot fi utilizate pentru a dezvolta acționări ale motoarelor stivuitoarelor mai puternice și mai eficiente. Capacitățile de gestionare a curenților mai mari ale FET-urilor GaN le permit să fie utilizate pentru motoare mai mari și mai puternice.

Pentru aplicațiile finale, beneficiile esențiale sunt reducerea dimensiunii și a greutății, densitate și eficiență energetică mai mari și o performanță termică mai bună.

Noțiuni de bază privind GaN

Proiectarea cu orice dispozitiv de comutare a puterii, în special pentru curenți și tensiuni medii, necesită atenție la cele mai mici detalii și caracteristici unice ale dispozitivului. Dispozitivele GaN au două opțiuni de structură internă: modul de epuizare (d-GaN) și modul de îmbunătățire (e-GaN). Un comutator d-GaN este în mod normal „pornit” și necesită o alimentare negativă; proiectarea în circuite este mai complexă. În schimb, comutatoarele e-GaN sunt în mod normal MOSFET-uri „oprite”, ceea ce duce la o arhitectură de circuit mai simplă.

Dispozitivele GaN sunt în mod inerent bidirecționale și vor începe să conducă odată ce tensiunea inversă de pe ele depășește tensiunea de prag a porții. În plus, deoarece acestea nu sunt capabile să funcționeze din proiectare în modul avalanșă, este esențial să aibă o tensiune nominală suficientă. O tensiune nominală de 600 de volți este în general adecvată la tensiuni de magistrală de până la 480 de volți pentru topologiile de conversie c.c. de coborâre, ridicare și pentru punți.

Deși comutatoarele GaN au o funcționalitate de bază simplă pentru comutarea puterii de pornire/oprire, acestea sunt dispozitive de putere, astfel că proiectanții trebuie să acorde atenție deosebită cerințelor de acționare la pornire și oprire, timpului de comutare, dispunerii, impactului fenomenelor parazitelor, controlului fluxurilor de curent și căderilor curent-rezistență (IR) pe placa de circuite.

Pentru mulți proiectanți, utilizarea kiturilor de evaluare este cea mai eficientă modalitate de a înțelege ce pot face dispozitivele GaN și cum să le utilizeze. Aceste kituri utilizează dispozitive GaN individuale și multiple în diferite configurații și niveluri de putere. De asemenea, acestea includ componentele pasive asociate, inclusiv condensatoare, inductoare, rezistoare, diode, senzori de temperatură, dispozitive de protecție și conectori.

Începeți cu dispozitivele de putere mai mică

Un exemplu excelent de FET GaN de putere mai mică este EPC2065. Acesta are o tensiune drenă-sursă (V_DS) de 80 de volți, un curent de drenă (I_D) de 60 de amperi (A) și un R_DS(ON) de 3,6 miliohmi (mΩ). Este furnizat numai sub formă de matrice pasivizată cu bare de lipit și măsoară 3,5 × 1,95 milimetri (mm) (Figura 1).

Figura 1: FET GaN EPC2065 de 80 de volți și 60 A este un dispozitiv cu matrice pasivizată, cu bare de lipire integrate. (Sursa imaginii: EPC)

Ca și în cazul altor dispozitive GaN, structura laterală a dispozitivului EPC2065 și dioda purtătoare majoritară asigură o sarcină totală de poartă (Q_G) extrem de scăzută și o sarcină de recuperare inversă (Q_RR) zero. Aceste atribute îl fac potrivit pentru situațiile în care sunt benefice frecvențele de comutare foarte ridicate (până la câteva sute de kilohertzi) și timpul de funcționare redus, precum și pentru situațiile în care domină pierderile în stare de funcționare.

Acest dispozitiv este susținut de două kituri de evaluare similare: EPC9167KIT pentru o funcționare de 20 A/500 de wați și EPC9167HCKIT de putere mai mare pentru o funcționare de 20 A/1 kilowatt (kW) (Figura 2). Ambele sunt plăci de invertor pentru acționarea motoarelor BLDC trifazate.

Figura 2: Se prezintă partea de jos (stânga) și partea de sus (dreapta) a plăcii EPC9167. (Sursa imaginii: EPC)

Configurația de bază EPC9167KIT utilizează un singur FET pentru fiecare poziție de comutație și poate furniza până la 15 A_RMS (valoare nominală) și 20 A_RMS (valoare de vârf) de curent per fază. În schimb, configurația EPC9167HC cu curent mai mare utilizează două FET-uri paralele pe fiecare poziție de comutație și poate furniza curenți maximi de până la 20 A_RMS/30 A_RMS (nominal/vârf), demonstrând ușurința relativă cu care FET-urile GaN pot fi configurate în paralel pentru un curent de ieșire mai mare. În Figura 3 este prezentată o schemă bloc a plăcii EPC9167 de bază.

Figura 3: Este prezentată o schemă bloc a plăcii EPC9167 de bază într-o aplicație de acționare BLDC; EPC9167HC de putere mai mare are două dispozitive EPC2065 în paralel pentru fiecare comutator, în timp ce EPC9167 de putere mai mică are doar un FET pentru fiecare comutator. (Sursa imaginii: EPC)

EPC9167KIT conține toate circuitele critice pentru a susține un invertor complet de acționare a motorului, inclusiv driverele de poartă, șinele de alimentare auxiliare regulate pentru sursele de întreținere, detectarea tensiunii, detectarea temperaturii, detectarea curentului și funcții de protecție.

EPC9167 se potrivește cu o serie de controlere compatibile și este susținut de diverși producători. Acesta poate fi configurat rapid ca un invertor de acționare a motorului sau ca un convertor c.c - c.c. prin valorificarea resurselor existente pentru o dezvoltare rapidă. În primul rol, acesta asigură conversia multifazată c.c.-c.c. care suportă frecvențe de comutare cu modulația în lățime a impulsurilor (PWM) de până la 250 de kilohertzi (kHz) în aplicațiile de acționare a motoarelor; pentru aplicațiile c.c.-c.c. fără motor, funcționează până la 500 kHz.

Trecerea la o putere superioară

La cealaltă extremitate a gamei de putere este EPC2302, un FET GaN cu o putere nominală de 100 volți/101 A și o valoare R_DS(ON) de numai 1,8 mΩ. Este potrivit pentru aplicații c.c.-c.c. de înaltă frecvență de la 40 la 60 de volți și pentru acționări de motoare BLDC de 48 de volți. Spre deosebire de capsularea în matriță pasivizată cu bare de lipire utilizată pentru EPC2065, acest FET GaN este găzduit într-o capsulă QFN cu inductanță redusă, care măsoară 3 × 5 mm, cu partea superioară expusă pentru o gestionare termică superioară.

Rezistența termică la partea superioară a carcasei este scăzută, de doar 0,2 °C per watt, ceea ce duce la un comportament termic excelent și ușurează provocările de răcire. Partea superioară expusă a acestuia îmbunătățește gestionarea termică din partea superioară, în timp ce flancurile umectabile pe lateral garantează că întreaga suprafață a plăcuței laterale este umezită cu cositor în timpul procesului de lipire prin retopire. Acest lucru protejează cuprul și permite lipirea pe această zonă externă a flancului pentru o inspecție optică ușoară.

Amprenta la sol a EPC2302 este de peste două ori mai mică decât amprenta celui mai bun MOSFET de siliciu din clasa sa, cu valori R_DS(on) și de tensiune similare, în timp ce Q_G și Q_GD sunt semnificativ mai mici, iar Q_RR este zero. Acest lucru duce la pierderi de comutare mai mici și pierderi mai mici ale driverului de poartă. EPC2302 funcționează cu un timp mort scurt, de mai puțin de 10 nanosecunde (ns), pentru o eficiență mai mare, în timp ce valoarea sa Q_RR zero îmbunătățește fiabilitatea și minimizează interferențele electromagnetice (EMI).

Pentru a utiliza EPC2302, placa de evaluare a gestionării puterii controlerului/driverului de motor EPC9186KIT acceptă motoare de până la 5 kW și poate furniza un curent de ieșire maxim de 150 A_RMS și 212 A_PEAK (Figura 4).

Figura 4: Se prezintă partea de sus (stânga) și partea de jos (dreapta) a plăcii de evaluare EPC9186KIT de 5 kW pentru EPC2302. (Sursa imaginii: EPC)

Pentru a obține această valoare nominală de curent mai mare, EPC9186KIT utilizează patru FET-uri GaN paralele pentru fiecare poziție de comutare, demonstrând ușurința utilizării acestei abordări pentru a atinge niveluri de curent mai mari. Placa acceptă frecvențe de comutare PWM de până la 100 kHz în aplicații de acționare a motoarelor și conține toate funcțiile critice pentru a susține un invertor complet de acționare a motoarelor, inclusiv driverele de poartă, sursele de alimentare auxiliare regulate, detectarea tensiunii și a temperaturii, detectarea precisă a curentului și funcțiile de protecție.

Concluzie

Invertoarele de motor reprezintă legătura critică dintre o sursă de energie de bază și un motor. Proiectarea unor invertoare mai mici, mai eficiente și mai performante reprezintă un obiectiv din ce în ce mai important. În timp ce proiectanții au de ales în ceea ce privește tehnologia de procesare pentru dispozitivele critice de comutare a puterii pe care le utilizează invertoarele de gamă medie, dispozitivele GaN, cum ar fi cele de la EPC, reprezintă opțiunea preferată.