GaN teljesítményelektronikai eszközök használata középkategóriás motorinverterekhez

Az energiaforrások hatékonyabb felhasználására való törekvés, a szigorúbb szabályozási előírások és az alacsonyabb üzemi hőmérsékleten történő működés technikai előnyei mind azon legújabb kezdeményezések mellett szólnak, amelyek az elektromos motorok által felhasznált energiamennyiségének csökkentését célozzák. Bár a különböző kapcsolási technológiák – például a szilícium MOSFET-ek – széleskörűen elterjedtek, ezek gyakran nem alkalmasak ahhoz, hogy megfeljenek az inverter-áramkörök kritikus feladatait ellátó igényesebb teljesítmény- és hatásfokbeli követelményeknek.

A tervezők ehelyett ezt gallium-nitrid (GaN) alapú, széles tiltott sávú FET-technológia segítségével érhetik el, amely mára igen sokat javult és fejlődött a költségek, a műszaki teljesítmény, a megbízhatóság és a használat egyszerűsége szempontjából. A GaN-eszközök mostanra már általánosan elterjedtté és a preferált eszközökké váltak a közepes teljesítményszintű invertereknél.

Ez a cikk azzal foglalkozik, hogyan használhatók fel az Efficient Power Conversion Corporation (EPC) legújabb generációs GaN-alapú FET-jei nagy teljesítményű motorok invertereinek építéséhez. A cikkben bemutatott fejlesztői kártyák segítenek megismertetni a tervezőket a GaN-eszközök jellemzőivel és felgyorsítani a tervezést.

Az inverter és feladata

Az inverterek feladata a motorok – általában szénkefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorok – meghajtására alkalmas formájú jelalakok létrehozása és fenntartása. Ők azok, amelyek szabályozzák a motorok sebességét és nyomatékát, biztosítva többek között a sima indítást és leállítást, a fordított forgásirányt és a gyorsulási sebesség változásait. Biztosítaniuk kell továbbá, hogy a kívánt motorteljesítmény a terhelés változásai ellenére is állandó maradjon.

Itt jegyezzük meg, hogy a változtatható kimeneti frekvenciás motorinverter nem tévesztendő össze a váltakozó áramú hálózati inverterrel. Ez utóbbi egyenáramot vesz fel egy tápforrásból – például autóakkumulátorból –, és a szinuszhullámhoz közelítő fix frekvenciájú 120/240 voltos váltakozó áramú hullámformát biztosít, amely hálózati működtetésű eszközök táplálására alkalmas.

A GaN-technológia használatának előnyei

A szilícium alapú technológiával összehasonlítva a GaN-eszközök több előnyös tulajdonsággal rendelkeznek, többek között gyorsabb kapcsolási sebességgel, alacsonyabb nyitóirányú drain-source ellenállással (R_DS(ON)) és jobb hőleadási teljesítménnyel. Az alacsonyabb R_DS(ON)-nak köszönhetően kisebb és könnyebb motorvezérlő áramkörök építhetők, csökkentve a teljesítményveszteséget, így segítségükkel energia és költségek takaríthatók meg a különböző rendszerekben, például elektromos kerékpároknál és drónoknál. Az alacsonyabb kapcsolási veszteségek eredményeként hatékonyabb motorhajtások tervezhetők, amelyek növelhetik a kisméretű elektromos járművek hatótávolságát. A gyorsabb kapcsolási sebességek gyors (alacsony késleltetésű) motorválaszt tesznek lehetővé, ami elengedhetetlen a precíz motorvezérlést igénylő rendszereknél, például robotoknál. A GaN FET-ek nagyobb teljesítményű és hatásfokú targoncamotor-hajtások kifejlesztésére is felhasználhatók. Jobb áramfelvételi képességüknek köszönhetően a GaN FET-ek nagyobb és erősebb motorokhoz használhatók.

A végfelhasználók számára az alapvető előnyök a méret- és súlycsökkenés, a nagyobb teljesítménysűrűség és hatásfok, valamint a jobb hőleadási teljesítmény.

Kezdeti szempontok a GaN-eszközök használatakor

Bármely teljesítménykapcsoló eszköznek egy adott áramkörben vagy feladatra történő tervezett felhasználásakor alaposan meg kell vizsgálni és figyelembe venni az eszköz paramétereit, a legapróbb részletekig és egyedi jellemzőkig. A GaN alkatrészeknél két belső szerkezeti opció létezik: a kiürítéses (d-GaN) és a növekményes (e-GaN) típus. A d-GaN típusok normál esetben „bekapcsolt” állapotban lévő kapcsolók, melyek negatív tápfeszültséget igényelnek; emiatt az áramkörökbe való beépítésük is bonyolultabb. Ezzel szemben az e-GaN kapcsolók alaphelyzetben „kikapcsolt” MOSFET-ek, melyek egyszerűbb áramköri felépítéseket tesznek lehetővé.

A GaN-eszközök eredendően kétirányúak, és akkor kezdenek el vezetni, amikor a rájuk kapcsolt záróirányú feszültség túllépi a gate küszöbfeszültségét. Továbbá, mivel ezek az eszközök eleve nem képesek lavinamódban működni, kritikus fontosságú a megfelelő névleges feszültségű eszközök használata. A 600 voltos választott névleges feszültség általában a 480 voltos buszfeszültségű rendszerek esetén elegendő; feszültségcsökkentő, feszültségnövelő és egyenáram-átalakító áramköri kapcsolásokhoz.

Bár alapvető be- és kikapcsolási funkciójukat tekintve a GaN-kapcsolók egyszerűek, mégis teljesítményelektronikai eszközök, ezért a tervezőknek fokozottan figyelniük kell a be- és kikapcsolási vezérlési követelményeikre, az időzítésekre, az áramköri elrendezésre, a parazita jelenségek hatásaira valamint a potenciálesésekre (IR-drop) az áramköri kártyán.

Sok tervező számára a fejlesztői készletek a leghatékonyabb segítség a GaN-eszközök képességeinek és használatuk megértésére. Ezek a készletek különböző teljesítményszintű egyszeres (szimpla) és többcsatornás GaN-eszközt tartalmaznak, különböző áramköri konfigurációkban. Tartalmazzák emellett a kapcsolódó passzív alkatrészeket is, beleértve a kondenzátorokat, induktivitásokat, ellenállásokat, diódákat, hőmérséklet-érzékelőket, védelmi eszközöket és csatlakozókat.

Kezdjük a kisebb teljesítménnyel

Kisebb teljesítményű GaN FET-ekre kiváló példa az EPC2065. Drain-source feszültsége (V_DS) 80 V, drain-árama (I_D) 60 A, R_DS(ON) értéke pedig 3,6 mΩ. Csakis passzivált, forraszsávos, 3,5 × 1,95 mm-es méretben forgalmazzák (1. ábra).

1. ábra: Az EPC2065 GaN FET egy 80 V-os, 60 A-es, integrált forraszsávos passzivált lapka (kép: EPC)

A többi GaN-eszközhöz hasonlóan az EPC2065 laterális felépítése és többségi töltéshordozós diódája kivételesen alacsony összesített kaputöltést (Q_G) és nulla záróirányú tárolt töltést (Q_RR) biztosít. Ezen tulajdonságainak köszönhetően olyan helyzetekben történő használatra alkalmasak, ahol a nagyon magas kapcsolási frekvenciák (akár több száz kilohertz) és az alacsony bekapcsolási idő a kívánatos, valamint olyan helyzetekben, ahol a bekapcsolt állapotban elszenvedett veszteségek jelentik a legjelentősebb tényezőt.

Ez az eszköz két egymáshoz hasonló fejlesztői készlettel kompatibilis: az EPC9167KIT 20 A-es / 500 W-os működéshez, illetve a nagyobb teljesítményű EPC9167HCKIT 20 A-es / 1 kW-os működéshez (2. ábra). Mindkettő háromfázisú BLDC motorvezérlő inverterkártya.

2. ábra: A képen az EPC9167 kártya alsó (balra) és felső (jobbra) oldala látható (kép: EPC)

Az alapvető EPC9167KIT kártyán minden kapcsolási pontnál egyetlen FET található, és a kártya fázisonként akár 15 A_RMS (névleges) és 20 A_RMS (csúcs) áramot is képes biztosítani. Ezzel szemben a nagyobb áramú EPC9167HC kártya minden kapcsolási pontnál két párhuzamos FET-et tartalmaz, és akár 20 A_RMS / 30 A_RMS (névleges/csúcs) maximális kimeneti áramot is képes biztosítani, demonstrálva, hogy a GaN FET-ek viszonylag könnyen párhuzamosan kapcsolhatók nagyobb kimeneti áramhoz. Az alapvető EPC9167 kártya blokkdiagramja a 3. ábrán látható.

3. ábra: A képen egy BLDC-motor meghajtására használt alapvető EPC9167 kártya blokkdiagramja látható; a nagyobb áramú EPC9167HC kártya minden kapcsolási pozícióban két párhuzamosan kapcsolt EPC2065 FET-et tartalmaz, míg a kisebb áramú EPC9167 csak egy FET-et kapcsolónként (kép: EPC)

Az EPC9167KIT tartalmazza az összes kritikus áramkört, amely egy teljes motorvezérlő inverter kialakításához kell, beleértve a kapuvezérlőket, a szabályozott segédtápsíneket kisegítő tápellátáshoz, a feszültségérzékelést, a hőmérsékletérzékelést, az áramérzékelést és a védelmi funkciókat.

Az EPC9167 különféle kompatibilis vezérlőkkel párosítható, és több gyártó eszközeivel is kompatibilis. Gyors fejlesztéshez, a meglévő eszközök kihasználásával gyorsan motorvezérlő inverterként vagy egyenáram-átalakítóként konfigurálható. Az előbbi szerepkörben többfázisú egyenáram-átalakítást biztosít, amely motorvezérlő áramkörökben akár 250 kHz frekvenciás impulzusszélesség-modulációs (PWM) kapcsolást is támogat; nem motoros egyenáram-átalakítási feladatoknál pedig 500 kHz-ig működik.

Következik a nagyobb teljesítmény

A kapcsolható teljesítményspektrum felső határán található az EPC2302 GaN FET, a 100 V / 101 A, és mindössze 1,8 mΩ R_DS(ON) névleges értékeivel. Jól használható nagyfrekvenciás, 40-60 V-os egyenáram-átalakító és 48 V-os BLDC motorokat vezérlő áramkörökben. Az EPC2065 passzivált, forrasztósávos kialakításával ellentétben ez a GaN FET 3 × 5 mm-es, alacsony induktivitású QFN-tokozásban található, szabadon hagyott felső résszel a minél jobb hőelvezetéshez.

A tokozás felső részén a hőellenállás alacsony, mindössze 0,2 °C/W, ami kiváló hűtési teljesítményt biztosít, orvosolva sok hűtési problémát. A burkolatlan felső rész javított felső felületi hőszabályozást tesz lehetővé, míg a nedvesíthető oldalérintkezőknek köszönhetően az oldalsó kontaktusfelületeket teljes mértékben befedi a forraszanyag az újraömlesztéses (reflow) forrasztás során. A réz ezzel védve van, a külső oldalsó felületek pedig forraszthatók, biztosítva a könnyű optikai ellenőrizhetőséget.

Alapterületét tekintve az EPC2302 kevesebb mint fele akkora helyet foglal, mint a kategórián belüli hasonló R_DS(on) értékű és névleges feszültségű szilícium MOSFET-ek, miközben a Q_G és Q_GD értékei lényegesen kisebbek, a Q_RR pedig nulla. Ezek eredményeként alacsonyabbak a kapcsolási és kapuvezérlési veszteségek. Az EPC2302-re a rövid, kevesebb mint 10 ns holtidő jellemző, ami jobb hatásfokot biztosít, míg a nulla Q_RR értéke növeli a megbízhatóságot és minimalizálja az elektromágneses interferenciát (EMI).

Az EPC2302-vel való kísérletezéshez a teljesítménykapcsolásra szolgáló motorvezérlő EPC9186KIT fejlesztői kártya akár 5 kW-os motorokkal is használható, az általa biztosítható 150 A_RMS normál és 212 A_PEAK kimeneti csúcsárammal (4. ábra).

4. ábra: A képen az EPC2302-hez készült 5 kW-os EPC9186KIT fejlesztői kártya felső (balra) és alsó (jobbra) oldala látható (kép: EPC)

A magasabb áramerősséghez az EPC9186KIT minden kapcsolási pontnál négy párhuzamos GaN FET-tel rendelkezik, demonstrálva, hogy ezzel a megközelítéssel magasabb áramerősségek is könnyedén elérhetők. A kártya PWM kapcsolást is támogat akár 100 kHz-ig motorvezérlő áramkörökben, és tartalmazza az összes olyan kritikus funkciót, ami egy teljes motorhajtású inverter megvalósításához kell, beleértve a kapuvezérlőket, a szabályozott segédtápsíneket kisegítő tápellátáshoz, a feszültség- és hőmérsékletérzékelést, a pontos áramérzékelést és a védelmi funkciókat.

Összegzés

A motorinverter egy kritikus láncszem az alapvető áramforrás és a motor között, így kisebb méretű, nagyobb hatásfokú és nagyobb teljesítményű invertereket tervezni egyre fontosabb céllá válik. Bár gyártástechnológiai szempontból a tervezőknek a közepes teljesítményű invertereknél használt kritikus teljesítménykapcsolókat illetően több választási lehetőségük is van, általában a GaN-eszközöket részesítik előnyben, mint amilyeneket például az EPC is gyárt.