Optimizarea controlerelor de putere în controlul motoarelor industriale cu modulele GMR10Dx pentru soluții de polarizare multifazată

Articolul de față abordează provocările legate de proiectare și considerentele cheie implicate în dezvoltarea unui controler de putere multifazat fiabil și sigur. Acesta utilizează modulul convertor c.c./c.c. izolat GMR10Dx cu ieșiri flotante, asociat cu modulele de putere de acționare a porților în comutație cu bandă interzisă largă dublă cu grad foarte ridicat de integrare de la Ganmar Technologies. Proiectarea și construcția acestor module sunt optimizate pentru a îndeplini cerințele sistemului în materie de fiabilitate, siguranță, EMI și gestionare termică.

Este afișat un exemplu ilustrativ al sistemului, care prezintă o intrare trifazată de curent alternativ ce alimentează un etaj de corecție a factorului de putere (PFC), urmat de o sarcină grea controlată prin modularea în lățime a impulsurilor (PWM), cum ar fi un motor industrial. Proiectarea este axată în special pe acționarea comutatoarelor GaN de înaltă tensiune de la Infineon (anterior GaN Systems), oferind o soluție practică de circuit. Sunt abordate limitările metodelor tradiționale de acționare a comutatoarelor cu pol de ieșire în contratimp cu jumătate de punte (HB) și sunt explorate soluții alternative pentru controlul comutatoarelor de limită superioară și inferioară. Sunt prezentate modele practice de circuite pentru a garanta o funcționare fiabilă și sigură, minimizând, în același timp, cerințele legate de spațiu. În plus, această notă acoperă detectarea curentului cu pierderi reduse și lățime de bandă mare, pentru a simplifica și mai mult procesul de proiectare.

Mediul de proiectare de astăzi prezintă numeroase provocări, inclusiv nevoia de hardware compact, consum redus de energie pentru răcire eficientă, fiabilitate crescută cu gestionare termică optimizată și soluții rentabile. Acestea sunt complicate și mai mult de bugetele restrânse și de termenele de dezvoltare mai scurte. Pentru a aborda aceste provocări, articolul de față prezintă subsisteme standard și elemente de bază care ajută echipele de proiectare să profite de expertiza și conformitatea furnizorilor de subsisteme.

Prin utilizarea convertorului de putere și a modulelor de interfață de la Ganmar Technologies, acest articol oferă o soluție optimă pentru aceste provocări legate de proiectare. Modulele furnizate permit dezvoltarea eficientă a unui sistem multifazat cu drivere de poartă, în timp ce factorul lor de formă standardizat economisește spațiu valoros pe placa principală.

Proiectarea unui controler de putere de polarizare pentru un sistem general trifazat de înaltă tensiune și mare putere utilizând GMR10Dx

Această secțiune prezintă considerentele de proiectare pentru crearea unui controler de putere de polarizare într-un sistem de înaltă tensiune și de mare putere utilizând modulele convertoare c.c./c.c. GMR10Dx, împreună cu polarizarea driverelor de poartă flotante furnizată de modulele GMR04B00x. După cum se arată în Figura 1a, sistemul poate include o sarcină grea controlată prin PWM, cum ar fi un motor industrial, care încorporează mai multe comutatoare și care necesită mai multe tensiuni de polarizare pentru diferite blocuri funcționale. Mai jos sunt prezentate principalele ipoteze pentru proiectare:

• Considerentele EMI: sistemul necesită un factor de putere aproape de o unitate, necesitând utilizarea unui PFC.
• Logica de pornire: PFC-ul include un procesor, care necesită o logică de pornire independentă pentru convertoarele de polarizare.
• Disiparea puterii: reducerea disipării puterii în componentele electronice ale controlerului este esențială pentru fiabilitate și pentru simplificarea cerințelor sistemului de răcire.
• Utilizarea produselor generice disponibile în comerț: proiectul maximizează utilizarea componentelor ușor disponibile.

Figura 1a oferă o configurație generală a sistemului pentru referință vizuală în discuțiile ulterioare privind proiectarea.

Figura 1a: Configurarea și pornirea sistemului industrial de control la sarcină mare. (Sursa imaginii: Ganmar Technologies)

Prin referire la schema bloc din Figura 1a, această secțiune va pune accentul pe proiectarea controlerului de putere de polarizare și pe integrarea acestuia în sistemul general. Pentru fiecare funcție, vom analiza mai multe variante de proiectare, cu excepția celor pentru controlerul PWM și PFC, ca urmare a nevoii de informații mai specifice privind cerințele de sistem pentru abordarea mai aprofundată a acestor funcții. În consecință, acest articol nu va aborda în detaliu aceste componente. Se presupune că sistemul utilizează comutatoare GaN de înaltă tensiune, cum ar fi GS66516T de la Infineon, deși vor fi discutate și considerente pentru tehnologiile alternative de comutare, cum ar fi comutatoarele SiC sau bipolare.

În plus, acest articol va prezenta modulele de drivere de poartă flotante extrem de integrate și autoalimentate de la Ganmar Technologies, în special GMR04B00x. Litera „x” din numărul modelului indică faptul că există diferite opțiuni disponibile pentru cipul driverului de poartă dublă. Consultați fișa tehnică a GMR04B00x pentru specificații și opțiuni detaliate.

Controlerul de putere de polarizare

Controlerul de putere de polarizare este proiectat pentru a oferi protecție la căderea de tensiune pentru valori scăzute ale intrării de c.a. (UVLO) și pentru a oferi o oprire fără blocare în cazul în care intrările c.a. depășesc limita maximă setată (OVLO). Atunci când intrarea tensiunii c.a. se încadrează în limitele valorilor operaționale sigure, modulul GRM10Dx generează ieșiri c.c. izolate la tensiuni comune, de obicei 6 V și 22 V. În cazul sistemelor mai mari, pot fi necesare forme de tensiune suplimentare. Figura 1b ilustrează o configurație tipică pentru obținerea acestor tensiuni. O ieșire de joasă putere, de 5 V, este utilizată pentru a alimenta cipul driverului de poartă dublă din modulul GMR04B00x, în mod specific ADUM7223 de la Analog Devices. Consultați fișa tehnică a GMR04B00x pentru alte opțiuni disponibile.

Figura 1b: Forme tipice de circuit cu adeziv derivate din GMR10Dx. (Sursa imaginii: Ganmar Technologies)

Modulul GMR04B00x alimentează intern partea sa flotantă pentru a furniza două polarizări de 12 V. Tensiunea de 12 V (12VH) high-side alimentează driverul de ieșire VIA pentru comutatorul de putere superior, cu nivelul de tensiune de acționare a porții la +5,6 V/-5,6 V față de nodul HBU. În jurul circuitelor fazelor V și W sunt aplicate configurații similare de acționare divizată.

Pentru comutatorul low-side, modulul GMR04B00x generează intern 12VL separat, care se poate conecta la nodul de retur al alimentării low-side, indiferent de polaritatea sa. Ieșirea VIB a ADUM7223, de exemplu, este divizată în +5,6 V/-5,6 V de către divizorul de rețea, asigurând funcționarea corectă a comutatorului GaN de limită inferioară.

Pentru comutatoarele SiC, o versiune diferită a modulului GMR04B00x oferă 15 V, 18 V sau 22 V, valori care pot fi setate din fabrică pentru a se potrivi diferitelor comutatoare SiC de mare putere. Circuitul de divizare generează tensiuni de polarizare flotante ± pentru a acționa comutatoarele din carbură de siliciu atât high-side, cât și low-side, în raport cu nodurile superioare HBU/V/W și, similar, pentru nodurile inferioare de orice polaritate. Consultați fișa tehnică a GMR04B00x pentru opțiunile disponibile.

Secțiunea controlerului de putere de polarizare, împreună cu LDO-urile ilustrate în Figura 1b, alimentează celelalte două module de interfață GRM04B00x conectate direct la porțile de la nodurile V și W. În plus, ieșirea de 22 V poate alimenta controlerele analogice, secțiunile digitale și cipurile I/O de pe placa utilizatorului prin intermediul LDO-urilor. Pentru cerințe de putere mai mari, utilizatorii pot consulta Nota de aplicație pentru îndrumări privind paralelizarea modulelor GMR10Dx.

Probleme legate de pornire

Este esențial să se asigure o sursă de alimentare stabilă pentru procesoarele digitale înainte ca acestea să devină operaționale. Acest lucru necesită operarea controlerului de polarizare de la o sursă de alimentare independentă de PFC. Circuitele convertorului de putere Ganmar consumă până la 18 wați din sursa de c.a., ceea ce are un impact minim asupra relațiilor de fază ale intrării c.a. Modulul GMR10DX acceptă un interval de tensiuni de intrare cuprins între 100 V_c.c. și 320 V_c.c., acoperind intervalul tipic pentru aplicațiile offline.

Pentru tensiuni de sursă mai mari, întâlnite adesea în aplicațiile de mare putere, unde redresoarele pot produce până la 380 V, consultați echipa de asistență tehnică Ganmar pentru alte opțiuni din seria GMR10Dx.

Figura 2 ilustrează o punte redresoare tipică cu 6 diode, adecvată pentru pornirea sistemului cu acest modul. Odată ce intrarea c.a. depășește aproximativ 42 V_RMS (60 sau 400 Hz), rezultând o ieșire de 200 V_c.c. de la puntea cu un condensator mic de 10 µF, modulele vor începe să producă ieșiri cu o întârziere maximă de 70 ms în condiții de sarcină redusă. Această întârziere este acceptabilă deoarece niciun alt bloc de sistem nu consumă energie în timpul pornirii.

În timpul evenimentelor tranzitorii, dacă intrările de c.a. determină ieșirea punții redresoare cu 6 diode să depășească intervalul de funcționare sigur al modulului de convertor, modulul se va opri până când tensiunea redresată revine la un nivel sigur. În plus, o funcție de protecție la căderi de tensiune cauzate de subtensiune se activează dacă tensiunea redresată scade sub 100 V.

Figura 2: Extragerea a maximum 18 W direct de la intrarea c.a. pentru pornire și polarizare. (Sursa imaginii: Ganmar Technologies)

Filtrarea intrării

Modulele de comutare a puterii, cum ar fi GRM10Dx, prezintă o caracteristică de impedanță „negativă” față de sursele lor de putere de intrare. Această caracteristică necesită o proiectare atentă a filtrării pentru a asigura stabilitatea la nivelul interfeței. În timp ce proiectarea detaliată a filtrelor de intrare este acoperită pe larg în diverse rapoarte și publicații, acest articol oferă o scurtă prezentare a caracteristicilor de intrare ale modulului GRM10Dx.

Pentru o sarcină tipică de putere constantă de 15 W datorată acționării GaN, cu o tensiune a redresorului de 200 V și o eficiență de 0,85, impedanța echivalentă este calculată drept |200²/(15/η)|, rezultând aproximativ 3,14 kΩ. Această impedanță este relativ ridicată în comparație cu impedanța sursei, ceea ce face ca filtrul necesar să o poată ocoli eficient. Cu toate acestea, se recomandă să instalați un condensator de amortizare de 10 µF/400 V în apropierea modulului GRM10Dx. Modulul în sine include un condensator de 0,47 µF pentru a gestiona vârfurile instantanee de curent de la evenimentele de comutare interne. Indicele de rezistență echivalentă în serie (ESR) al condensatorului extern nu este critic, cu condiția ca filtrul PFC principal să ofere o amortizare suficientă.

De asemenea, Ganmar Technologies oferă un modul cu punte redresoare tradițional la intrarea c.a., completat cu o siguranță și un filtru EMI, pentru o integrare facilă cu modulul GRM10Dx. Acest lucru simplifică procesul de conectare la sursa de c.a. Pentru detalii privind integrarea acestui modul, consultați echipa de asistență tehnică Ganmar.

Polarizarea driverului

Figura 3: Conexiunea trifazată. (Sursa imaginii: Ganmar Technologies)

Figura 4: Modulul GMR10D000. (Sursa imaginii: Ganmar Technologies)

Figurile 3 și 4 prezintă schema și o fotografie a modulului GMR10D000, un convertor c.c./c.c. izolat capabil să furnizeze 15 W cu două ieșiri. V_OUT1 furnizează, de obicei, 6,5 V la 3 W, în timp ce V_OUT2 furnizează 22 V la 12 W. Ambele ieșiri ajung la starea de echilibru în decurs de 10 ms. Această secțiune va explica modul de conectare a funcțiilor ilustrate în Figura 1 la dispozitivele GMR10Dx pentru a obține funcționalitatea și performanța dorite.

Figura 5: Schema funcțională a părții de acționare a modulului (prezentată cu GMR10D005). (Sursa imaginii: Ganmar Technologies)

Figura 5 ilustrează interconectările mai multor module GMR10Dx pentru a îndeplini funcțiile controlerului de putere de polarizare. În această secțiune, este oferită o explicație detaliată a aplicării modelului GMR04B008 în contextul blocului HS-U. Celelalte două module pot fi replicate ușor prin conectarea referințelor de retur corespunzătoare nodurilor respective.

Figura 6: Schema internă a GMR04B00x cu putere de poartă flotantă și acționări directe. (Sursa imaginii: Ganmar Technologies)

Figura 6 ilustrează disponibilitatea tensiunii de 22 V în raport cu nodul de referință de „masă” GNDS.

Cerințe privind interfața etajului de putere

După cum se arată în Figura 6, în general, în sistemele GaN se recomandă aplicarea unei tensiuni de polarizare negative pentru a opri dispozitivele de alimentare GaN, în special în topologiile de comutare „hard” în care curenții depășesc 30 A. Figura 7 oferă grafice ilustrative (prin intermediul webinarului Infineon) care demonstrează această abordare.

Figura 7: Efectele V_EE asupra dinamicii de oprire. (Sursa imaginii: Infineon)

Implementarea și caracteristicile de pornire/oprire – Implementarea divizoarelor pentru dispozitive Infineon în modul asigură tensiuni de pornire și oprire eficiente, minimizând, în același timp, pierderile în timpul tranziției de la oprire. Formele de undă ale semnalelor de comandă divizate și proiectarea dispozitivului GS66xx de la Infineon contribuie la îmbunătățirea eficienței, alături de proiectarea unică a transformatorului, care reduce vârfurile de oscilație în timpul procesului de oprire al GS66xx.

Pornirea/oprirea

Pentru o pornire completă, este necesară o comandă de poartă de 5,6 V, cu inductanță parazită minimă și cuplaj capacitiv între nodurile de comutare sensibile și trasee. Respectarea liniilor directoare ale furnizorului de GaN pentru amplasarea și rutarea corectă a circuitelor este esențială.

În timpul opririi, tensiunea poartă-sursă (V_GS) trebuie să fie semnificativ mai mică decât tensiunea de prag (V_TH), cu un nivel de referință de aproximativ 0 V în circuitele discutate aici. Articolul de față presupune utilizarea circuitului integrat al driverului de poartă ADUM7223 de la Analog Devices. Este important să rețineți că blocarea la subtensiune (UVLO) de ieșire a driverului este de 5 V, ceea ce îl face potrivit pentru comanda de poartă de 5,6 V necesară dispozitivelor GaN. Puterea disipată de driver pentru acest GaN poate fi calculată utilizând fișa tehnică a driverului:

Presupunând o comutare de 250 kHz și valorile de mai jos, se poate calcula A P_D:

Configurația driverului duce la o disipare de 100 mW, care se încadrează în capacitățile modulelor GMR10Dx și GMR04B00x. Modulul GMR10Dx este capabil să furnizeze o putere semnificativ mai mare decât cea necesară pentru driver, asigurând o sursă de alimentare robustă pentru funcționarea acestuia.

Configurația HV GaN pentru driver

Modulul GMR10Dx furnizează tensiunile de polarizare necesare pentru driverele GaN superioare și inferioare într-o configurație cu jumătate de punte (HB). Figura 8 ilustrează conexiunile pentru driverele GaN de la divizoare.

Stabilirea corectă a punctelor de referință pentru retururile de polarizare este esențială pentru a preveni comportamentele de comutare neregulate și posibilele daune ale dispozitivelor GaN. Pentru a asigura funcționarea corectă și sigură, utilizatorii trebuie să respecte liniile directoare și recomandările furnizate în fișele tehnice și notele de aplicații specifice GaN. Orientări suplimentare pot fi găsite în fișa tehnică a modulului integrat cu driver dublu direct GMR04Bx.

Figura 8: Aranjamentul în contratimp și configurația clasică cu jumătate de punte cu conexiuni directe de acționare divizată la comutatoarele GaN. (Sursa imaginii: Ganmar Technologies)

Modulul GMR04B00x furnizează tensiunea de polarizare flotantă necesară pentru driverul de poartă de comutare GaN superior, eliminând necesitatea unor circuite suplimentare, cum ar fi un condensator bootstrap liber pentru a genera tensiunea de polarizare necesară.

Cu modulele GMR04B00x, tensiunile flotante de acționare a porții pot fi conectate direct la porțile comutatoarelor GaN superioare și inferioare, oferind o acționare stabilă a porții de ±5,6 V. Această abordare simplifică proiectarea, eliminând necesitatea comutării de către controler a dispozitivului inferior pentru a genera polarizarea pentru driverul porții superioare.

Utilizarea modulelor GMR04B00x permite obținerea tensiunilor dorite pentru acționarea porții, atât pentru comutatoarele GaN superioare, cât și pentru cele inferioare, fără complexitatea și componentele suplimentare solicitate prin metodele alternative de polarizare.

Schema tradițională de bootstrap ilustrată în Figura 9 prezintă mai multe dezavantaje, inclusiv nevoia de componente suplimentare, cum ar fi diodele și condensatoarele nepolare, ale căror valori ar putea necesita ajustări, în funcție de cerințele specifice ale dispozitivelor GaN sau ale altor dispozitive. Problemele legate de pornire și lipsa unei abordări riguroase sunt preocupări semnificative cu această abordare. În plus, sistemul bootstrap tradițional este incompatibil cu nodurile HB bipolare.

Figura 9: Schema de polarizare a driverului de poartă flotant tradițional. (Sursa imaginii: Ganmar Technologies)

În schimb, dispunerea compactă a modulelor GMR10Dx și GMR04B00x, împreună cu extensiile asociate acestora, le evidențiază avantajele în ceea ce privește economisirea de spațiu. Acest lucru le face o soluție practică pentru aplicațiile care necesită o polarizare eficientă și stabilirea corectă a referințelor.

Detectarea curentului

Figurile 10 și 11 ilustrează integrarea detectării curentului cu ajutorul rezistoarelor de șuntare cu modulele GMR10Dx și GMR04B00x. Rezistoarele de șuntare sunt utilizate în mod obișnuit pentru a măsura și monitoriza curentul care circulă printr-un circuit. Prin plasarea strategică a acestor rezistoare pe calea de curent, se poate măsura căderea de tensiune pe fiecare rezistor, iar aceasta poate fi utilizată pentru a calcula curentul.

În contextul modulelor GMR, rezistoarele de șuntare de detectare a curentului sunt conectate în serie cu sarcina sau cu un modul de detectare a curentului izolat cu lățime de bandă mare. Această configurație asigură detectarea și monitorizarea exactă a curentului. Modulele GMR furnizează tensiunile de polarizare necesare, fie flotante, fie măsurate în raport cu masa, precum și alimentarea necesară pentru a susține sistemele de detectare a curentului, garantând, astfel, măsurători precise și fiabile.

Încorporarea detectării curentului în proiectarea sistemului le permite utilizatorilor să colecteze informații valoroase despre nivelurile curentului și să monitorizeze performanța circuitului sau a sistemului. Acest lucru este deosebit de util în aplicații care necesită un control precis al curentului sau protecție, cum ar fi controlul motoarelor, electronica de putere sau sistemele de energie regenerabilă.

Figura 10: Detectarea curentului cu rezistor de șuntare tradițional. (Sursa imaginii: Ganmar Technologies)

Figura 11: Detectarea nedisipativă a curentului pe GMRCS000. (Sursa imaginii: Ganmar Technologies)

Ganmar Technologies oferă modulele GMRCSN000 și GMRCSP000 ca soluții de senzori de curent compacte, izolate, nedisipative. Aceste module oferă detectarea izolată a curentului cu lățime de bandă mare, fără a necesita rezistoare de șuntare suplimentare în calea de curent. Acest lucru elimină pierderile de putere și simplifică proiectarea.

Modulele GMRCSN000 și GMRCSP000 detectează curentul care circulă prin circuit și oferă două polarități de ieșire: de la 0 la +Vsense și de la -Vsense la 0. Aceste intervale de ieșire sunt potrivite pentru interfațarea directă cu ADC-ul (convertor analogic-digital) controlerelor integrate sau pentru controlerele analogice utilizate în aplicații PFC fără punte.

Utilizarea modulelor GMRCSN000 sau GMRCSP000 simplifică implementarea detectării curentului, economisește spațiu prețios pe placă și asigură măsurători precise și izolate ale curentului. Pentru mai multe informații despre aceste module și numerele de catalog aplicabile, contactați echipa de asistență tehnică Ganmar Technologies pentru asistență detaliată și îndrumare pentru integrare.

Concluzie

Articolul de față a detaliat o abordare cuprinzătoare a proiectării pentru pornirea și polarizarea sistemului utilizând modulele GMR10Dx și GMR04B00x împreună cu comutatoare GaN de înaltă tensiune și de putere ridicată. Accentul este pus pe comutatoarele GaN de la Infineon, care sunt utilizate în mod obișnuit în aplicații precum motoarele trifazate, invertoarele trifazate și încărcătoarele EV de nivelul 3.

Proiectarea oferă mai multe avantaje față de abordările tradiționale, inclusiv fiabilitate sporită, compactitate și eficiență. Modulele GMR10Dx și GMR04B00x oferă o soluție versatilă și robustă pentru pornirea și polarizarea sistemului, oferind conexiuni directe la porțile acestor comutatoare.

În plus, articolul a prezentat modulele GMRCSN000 și GMRCSP000, care oferă o soluție compactă și nedisipativă pentru detectarea curentului, cu capacități flexibile de ieșire. Aceste module simplifică implementarea detectării curentului și oferă măsurători precise și izolate ale curentului.

Prin valorificarea abordărilor și soluțiilor de proiectare prezentate în acest articol, proiectanții pot îmbunătăți semnificativ performanța și fiabilitatea sistemelor lor care utilizează comutatoare GaN. În plus, aceștia pot beneficia de expertiza și asistența oferite de Ganmar Technologies.