Jak integrovat výkonové stupně GaN pro efektivní bateriově napájené pohonné systémy BLDC motorů

Aplikace napájené z baterií, jako jsou kolaborativní roboti (coboti), elektrická kola, průmyslové drony a elektrické nářadí, vyžadují lehké a výkonné elektromotory s malým tvarovým faktorem. Ačkoli jsou bezkartáčové stejnosměrné (BLDC) motory jsou dobrou volbou, elektronika pohonu motoru je poměrně složitá s mnoha konstrukčními aspekty. Konstruktér musí přesně regulovat točivý moment, rychlost a polohu a zároveň zajistit vysokou přesnost s minimálními vibracemi, hlukem a elektromagnetickým zářením (EMR). Kromě toho je třeba se vyhnout objemným chladičům a externím kabelovým svazkům, aby se ušetřila hmotnost, prostor a náklady.

A jak už to bývá, výzvou pro konstruktéry se stává vyvážení požadavků na návrh s tlakem na čas a rozpočet při současném vyhnutí s nákladným vývojovým chybám. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je využít výhod rychlých polovodičových technologií s nízkými ztrátami, jako je nitrid galia (GaN) pro výkonové stupně potřebné k pohonu BLDC motorů.

Tento článek pojednává o relativních výhodách výkonových stupňů na bázi GaN a představuje ukázkový obvod od společnosti EPC implementovaný v polomůstkové topologii. Vysvětluje, jak používat související vývojové sady k rychlému zahájení projektu. V tomto procesu se konstruktéři naučí, jak měřit parametry motoru BLDC a provozovat jej v režimu bezsenzorového vektorového řízení (FOC) jen s minimálním programováním v prostředí motorBench Development Suite od společnosti Microchip Technology.

Výhody technologie GaN

K efektivnímu řízení BLDC motoru v bateriových aplikacích potřebují vývojáři účinný a lehký řadič s malým tvarovým faktorem, který lze implementovat co nejblíže k aktuátoru. Například uvnitř krytu motoru.

Bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT) jsou robustní a mohou spínat vysoký výkon až 100 MW při maximálním kmitočtu 200 kHz, nejsou však vhodné pro zařízení, která musí zvládat nabíjení baterie při napětí do 80V . Vysoký přechodový odpor, volnoběžná dioda a spínací ztráty, stejně jako proudová doběh při vypínání, to vše dohromady vede ke zkreslení signálu, nadměrné tvorbě tepla a rušivým emisím.

Metaloxidové polovodičové tranzistory s efektem pole (MOSFET) spínají rychleji a v porovnání s tranzistory IGBT mají nižší spínací a ohmické ztráty, jejich hradlová kapacita však vyžaduje výkonný hradlový budič pro funkci na vysokých spínacích frekvencích. Schopnost pracovat na vysokých frekvencích je důležitá, protože to znamená, že konstruktéři mohou ke snížení celkových prostorových požadavků používat menší elektronické součástky.

Pokud jde o GaN tranzistory s vysokou elektronovou pohyblivostí (HEMT), jejich vysoká mobilita nosičů jim umožňuje vytvářet a rušit polovodičové přechody extrémně rychle as nízkými ztrátami. Integrovaný řadič GaN, jako je obvod EPC23102ENGRT od společnosti EPC, se vyznačuje výjimečně nízkými spínacími ztrátami a vysokými spínacími frekvencemi, což umožňuje kompaktní konstrukci zařízení v nejtěsnějším prostoru. Monolitický čip obsahuje vstupní logické rozhraní s posouvači úrovní, samozaváděním a obvody hradlového budiče, které ovládají výstupní tranzistory FET GaN v polomůstkové topologii (obrázek 1). Pouzdro čipu je optimalizováno na vysoký odvod tepla a nízkou parazitní indukčnost.

Obrázek 1: obvod EPC23102 obsahuje řídicí logiku, posouvače úrovní, hradlové budiče a výstupní GaN tranzistory FET v polomůstkové topologii (vlevo). Pouzdro čipu (vpravo) je optimalizováno pro vysoký odvod tepla a nízkou parazitní indukčnost. (Zdroj obrázku: EPC)

Méně odpadního tepla a nižší EMR

Výstupní tranzistory obvodu EPC23102 mají typický odpor mezi zdrojem a odtokem v sepnutém stavu (R_DS(on)) 5,2 mΩ (při 25 °C). Zvládají napětí do 100 V a proudy až 35 A. Boční struktura součástky GaN a absence diody s intrinsickým tělem dále poskytují výjimečně nízký náboj hradla (Q_G) a zpětného zotavení (Q_RR).

V porovnání s tranzistory MOSFET s podobným odporem v zapnutém stavu R_DS(on) dosahuje řadič GaN až pětkrát nižších spínacích ztrát. To umožňuje měniči na bázi tranzistorů GaN pracovat na relativně vysokých frekvencích pulsní šířkové modulace (PWM) - až 3 MHz - a s kratší dobou průtahu (pod 50 ns).

Vysoké spínací rychlosti (dV/dt) a nízký teplotní koeficient polovodičů GaN v pouzdrovém provedení se sníženou parazitní indukčností minimalizují zkreslení signálu a tím také elektromagnetické záření EMR a spínací ztráty. Toto řešení snižuje potřebu strategií filtrace, zatímco menší levné kondenzátory a induktory šetří místo na desce.

Další výhody polovodičů GaN, jako je vysoká tepelná vodivost substrátu GaN a velká plocha tepelného kontaktu pouzdra součástky ve spojení s nízkým přechodovým odporem v zapnutém stavu R_DS(on) společně umožňují výkonovým stupňům GaN spínat proudy až 15 A bez chladiče (obrázek 2).

Obrázek 2: nárůst teploty v závislosti na fázovém proudu u výkonového stupně GaN při okolní teplotě 25,5 °C a různých frekvencích PWM. (Zdroj obrázku: EPC)

Obvod EPC23102 je dále vybaven robustními převodníky úrovní z kanálů low-side na kanály high-side, které jsou navrženy na provoz za podmínek měkkého a tvrdého spínání - dokonce i při vysokém záporném svorkovém napětí - a aby se zabránilo nežádoucímu spouštění rychlými přechody dV/dt, také při napětích pocházejících z vnějších zdrojů nebo sousedních fází. Interní obvody integrují logiku, nabíjecí bootstrap a deaktivační funkce. Ochranné funkce zabraňují nežádoucímu zapínání výstupních tranzistorů FET, jsou-li napájecí napětí příliš nízká, nebo dokonce tehdy, dojde-li k jejich výpadku.

Vyhodnocovací sada měniče motoru připravená k použití

Nejjednodušší a nejrychlejší způsob, jak uvést do provozu třífázový BLDC motor s technologií GaN, je použití vyhodnocovací sady měniče motoru KIT EPC9176 od společnosti EPC. Skládá se z desky EPC9176 měniče motoru a řídicí desky DSP. Součástí je také jednoduchý zásuvný adaptér řadiče EPC9147E pro ovládání prostřednictvím hostitelského řadiče specifického podle požadavků zákazníka. Spojovací konektor přenáší následující signály: 3 × PWM, 2 × kodér, 3 × U_f, 3 × I_f, U_DC, I_DC a 2 × stavová LED.

Deska měniče motoru EPC9176 jakožto referenční návrh usnadňuje vlastní konstrukci obvodů, zatímco deska řadiče EPC9147A ve spojení s vývojovým prostředím motorBench společnosti Microchip Technology umožňuje uživatelům rychlé uvedení do provozu bez nutnosti trávení času kódováním nebo programováním.

Třífázový měnič BLDC motoru integruje tři polomůstkové řadiče EPC23102 GaN pro ovládání AC nebo DC motorů a DC/DC napájecích měničů. Díky maximálnímu odporu v zapnutém stavu R_DS(on) 6,6 mΩ způsobuje výkonový stupeň jen nízké tepelné ztráty při proudech zátěže až 28 A ve špičce (A_pk) nebo 20 A RMS (A_RMS) při trvalém provozu a spínacím napětí do 100 V. Řadič EPC23102, který je nakonfigurovaný na vícefázovou DC/DC konverzi, podporuje PWM spínací frekvence do 500 kHz nebo do 250 kHz pro aplikace řadiče motoru.

Deska měniče motoru EPC9176 o rozměrech 8,1 × 7,5 cm obsahuje všechny kritické funkční obvody nezbytné pro podporu kompletního měniče, včetně kondenzátorů stejnosměrné sběrnice, hradlových budičů, regulovaných pomocných napětí, měření fázového napětí, fázového proudu a teploty, společně s ochrannými funkcemi a volitelnými harmonickými nebo EMR filtry pro jednotlivé fáze (obrázek 3).

Obrázek 3: měnič motoru EPC9176 obsahuje kondenzátory stejnosměrné sběrnice, hradlové budiče, regulátor napětí, snímač napětí, proudové a teplotní ochranné funkce a EMR filtry. (Zdroj obrázku: EPC)

Třífázový měnič GaN pracuje se vstupním napětím 14 až 65 V_DC. Spínání probíhá bez překmitů a výsledkem je tedy plynulý točivý moment s minimální hlučností chodu. Deska je optimalizována na vysokorychlostní spínací strmost pod 10 V typickou pro GaN polovodiče na ns (V/ns) a může být volitelně redukována na provoz DC/DC měniče. Navíc lze připojit dva snímače polohy rotoru (Hallovy sondy) pracující na různých úrovních napětí.

Točivý moment bez vibrací a nízká hlučnost chodu

Příklad implementace třífázového BLDC motoru demonstruje vliv parametrizace doby průtahu na hladký chod motoru a tedy generování hluku. Dobu blokování na spínacím přechodu high-side a low-side tranzitoru FET u polomůstku GaN FET lze nastavit jako velmi krátkou, protože polovodiče GaN HEMT reagují extrémně rychle a nevytvářejí parazitní překmity, jako je tomu v případě pomalejších tranzistorů MOSFET.

Obrázek 4 (vlevo) ukazuje invertor GaN pracující s typickou dobou průtahu 500 ns pro tranzistory MOSFET na frekvenci PWM 40 kHz. Namísto požadovaného hladkého sinusového fázového proudu vzniká extrémně vysoké zkreslení, které má za následek silné zvlnění točivého momentu a odpovídající hluk. Na obrázku 4 (vpravo) byla doba průtahu snížena na 50 ns, čímž byl vytvořen sinusový fázový proud pro hladce běžící motor s velmi nízkým hlukem.

Obrázek 4: doba průtahu 500 ns při frekvenci 40 kHz PWM (vlevo), typická pro tranzistory MOSFET, způsobuje vysoké zkreslení fázového proudu, které má za následek vysoké zvlnění točivého momentu a vysoké hladiny hluku. Při době průtahu 50 ns (vpravo) se vytvoří sinusový fázový proud, čímž se motor otáčí hladce a s nízkou hlučností. (Zdroj obrázku: EPC)

Menší zvlnění fázového proudu znamená také nižší magnetizační ztráty ve statorových cívkách, zatímco nižší zvlnění fázového napětí umožňuje vyšší rozlišení, stejně jako přesnější řízení točivého momentu a otáček, zejména u motorů s nízkou indukčností používaných v menších konstrukcích.

Pro aplikace s řadičem motoru vyžadující vyšší výkon jsou k dispozici dvě invertorové desky GaN: EPC9167HCKIT (1 kW) a KIT EPC9167 (500 W). Obě z nich používají tranzistory GaN FET EPC2065 s maximálním odporem v zapnutém stavu _DS(on) 3,6 mΩ a maximální napětí součástky 80 V. Zatímco deska EPC9167 používá jeden tranzistor FET pro každou spínací polohu, deska EPC9167HC obsahuje dva paralelně pracující tranzistory FET, které dodávají maximální výstupní proud ve špičkách 42 A_pk (30 A_RMS). Tranzistor GaN FET EPC2065 podporuje PWM spínací frekvence do 250 kHz v aplikacích pro řízení motoru a maximálně 500 kHz v DC/DC měničích.

Ještě vyšší výkon, až 1,5 kW, poskytuje invertorová deska vyhodnocovací soupravy EPC9173KIT. Deska tvoří polomůstkové větve dvou samostatných IO EPC23101ENGRT hradového budiče GaN, které obsahují pouze jeden integrovaný výkonový tranzistor FET na straně high-side. Tuto desku lze rozšířit jako snižovací/zvyšovací převodník, polomůstek, plný můstek nebo LLC převodník. Deska dodává výstupní proud ve špičce až 50 A_pk (35 A_RMS) a pracuje na spínacích frekvencích PWM až do 250 kHz s příslušným chlazením.

Ovladač uvedete do provozu během několika minut

Nejrychlejším způsobem vyhodnocení invertorové desky EPC9176 GaN bez nutnosti kódování je použití desky rozhraní řadiče EPC9147A. Zásuvný modul (PIM) MA330031-2 obsahuje 16bitový procesor DSP dsPIC33EP256MC506-I-PT od společnosti Microchip Technology (obrázek 5).

Obrázek 5: karta rozhraní univerzálního řadiče EPC9147A se může přizpůsobit různým zásuvným modulů, například MA330031-2 PIM, který je založen na 16bitovém DSP procesoru dsPIC33EP256. (Zdroj obrázku: EPC/Microchip Technology)

Pro usnadnění provozu rozhraní řadiče DSP mohou konstruktéři použít nástroj motorBench Development Suite, kteřý je nutné rozšířit o následující položky:

1. MPLAB X IDE_V5.45 a doporučená aktualizace
2. Plugin konfigurátoru kódu (specifická kompilace DSP)
3. Plugin motorBench 2.35 (příklady motoru)

Pro účely této diskuse se jako příklad používá invertorová deska GaN měniče motoru EPC9146, takže:

4. Začněte s MCLV-2 nebo EPC projektem pro soupravu EPC914xKIT s názvem „sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X“

Uživatel může jednoduše vybrat vzorový hex soubor pro invertorovou desku motoru EPC9146 GaN a nahrát jej do paměti flash procesoru DSP dsPIC33EP256MC506 pomocí programovacího adaptéru, například PG164100 od společnosti Microchip Technology pro 16bitové mikrokontroléry. Připojený BLDC motor (Teknic_M-3411P-LN-08D) je pak manuálně ovladatelný pomocí ovladačů a pracuje v režimu bezsenzorového vektorového řízení (FOC).

Pokud motor neběží uspokojivě nebo je třeba jej nakonfigurovat na jiný provozní stav, nástroj motorBench také poskytuje konfigurovatelný vzorový soubor, který je nutné před nahráním do paměti flash zkompilovat. Jak bylo probráno výše, základním, ale důležitým parametrem pro řadiče motoru GaN je doba průtahu 50 ns nebo kratší, kterou je nutné před kompilací hex souboru bezpodmínečně zkontrolovat.

Uživatelské parametry pro BLDC motor

Aby bylo možné vytvářet vlastní konfigurace motoru BLDC pro bezsenzorový provoz FOC pomocí nástroje IDE motorBench, mohou uživatelé změřit konkrétní parametry motoru a příslušné hodnoty zadat do konfiguračního souboru. Jako testovací motor lze v tomto případě použít například model MOT-I-81542-A od společnosti SL Products International. Motor odebírá výkon přibližně 361 W, pracuje na napětí 24 V při 6100 otáčkách za minutu (rpm).

Nejprve je třeba určit tyto čtyři parametry motoru:

• Ohmický odpor: měří se mezi svorkami cívky statoru pomocí multimetru.
• Indukčnost: měří se mezi svorkami cívky statoru pomocí multimetru.
• Pólové páry: pro určení pólových párů musí konstruktér zkratovat dvě fáze, třetí fázi ponechat rozpojenou, ručně spočítat počet blokování při jedné otáčce hřídele, poté vydělit výsledek dvěma.
• Zpětná elektromotorická síla (BEMF): měří se mezi vývody statorové cívky pomocí osciloskopu. Pro její stanovení musí konstruktér provést následující kroky:
  • Upnout sondu ke dvěma fázovým přívodům a třetí ponechat rozpojený.
  • Ručně otáčet hřídelí motoru a zaznamenat napěťovou odezvu.
  • Změřit napětí ve špičce A_pp a periodu T_half největší sinusové půlvlny (obrázek 6).

Obrázek 6: zpětná elektromotorická síla (BEMF) se stanovuje měřením napětí špička-špička A_pp a periody T_half největší sinusové půlvlny. (Zdroj obrázku: EPC)

S ohledem na výše uvedený projektový příklad stanovila společnost Microchip následující parametry pro motor Teknic M-3411P-LN-08D (8,4 A_RMS, osm pólů, točivý moment = 1 Nm a jmenovitý výkon 244 W:

• A_pp = 15,836 V_pp
• T_half = 13,92 ms
• Dvojice pólů: pp = 4
• Společnost Microchip následně vypočítala konstantu BEMF (pro 1000 ot/min = 1 k_ot/min pomocí rovnice 1:

 Rovnice 1

pro tento příklad motoru

(pro nástroj motorBench byla použita hodnota 10,2)

• Odpor mezi fázemi R_L-L = 800 mΩ snížený o 100 mΩ na přívody LCR měřiče.
• V tomto příkladu bylo použito L_d = L_q = 1 mH navzdory skutečné naměřené hodnotě 932 µH.

Zjištěné parametry se zadávají do podnabídky Configure/PMSM Motor nástroje motorBench. K tomu mohou konstruktéři jednoduše použít konfigurační soubor XML podobného typu motoru. Alternativně lze parametry zadat do nově vytvořeného (prázdného) konfiguračního souboru, který lze importovat pomocí tlačítka „Importovat motor“.

Závěr

Integrované obvody GaN řadiče motoru dosahují vysoké účinnosti v bateriově napájených pohonech motorů BLDC s malým tvarovým faktorem a nízkou hmotností. Jsou integrovány do krytu motoru, dobře chráněny, zjednodušují konstrukci a instalaci zařízení a snižují nároky na údržbu.

S podporou referenčních obvodů, předprogramovaných, modelově založených řadičů DSP a vývojového prostředí motoru mohou konstruktéři a programátoři aplikací BLDC motorů zkrátit dobu návrhu obvodu a více se soustředit na vývoj aplikací.