Jak používat výkonová zařízení GaN pro špičkové motorové měniče se středním výkonem

Tlak na efektivnější využívání zdrojů energie, přísnější regulační předpisy a technické výhody chladnějšího provozu – to vše podporuje nedávné iniciativy ke snížení množství energie spotřebovávané elektromotory. Spínací technologie, jako jsou křemíkové tranzistory MOSFET, jsou sice velmi rozšířené, často však nemohou splnit náročnější požadavky na výkon a účinnost kritických aplikací měničů.

Místo toho mohou konstruktéři tyto cíle splnit pomocí technologie zařízení FET se širokým zakázaným pásem („wide bandgap“, WBG) využívající nitrid galia (GaN), která se zlepšila a pokročila z hlediska ceny, výkonu, spolehlivosti a snadnosti používání. Zařízení GaN jsou nyní mainstreamová a stala se pro měniče se středními úrovněmi výkonu preferovanou volbou.

Tento článek pojednává o tom, jak vznikla nejnovější generace zařízení FET založených na GaN společnosti Efficient Power Conversion Corporation (EPC) umožňující vysoce výkonné motorové měniče. Dále jsou zde představeny vyhodnocovací desky, které konstruktérům pomáhají se seznámit s charakteristikami zařízení GaN a urychlit návrhy.

Co je to měnič?

Úlohou měniče je vytvářet a regulovat průběh výkonu, který pohání motor, který je často bezkartáčového stejnosměrného typu („brushless DC“, BLDC). Řídí mimo jiné otáčky a točivý moment motoru pro hladký start a zastavení, zpětný chod a rychlost zrychlení. Musí také zajistit dosažení požadovaného výkonu motoru a jeho udržení navzdory změnám zatížení.

Pamatujte, že motorový měnič s výstupem s proměnnou frekvencí by neměl být zaměňován s měničem střídavého proudu. Ten odebírá stejnosměrný proud ze zdroje, jako je autobaterie, aby poskytl průběh vlny střídavého proudu s pevnou frekvencí 120/240 V, který se blíží sinusové vlně a lze jej použít k napájení zařízení napájených ze sítě.

Proč zvažovat GaN?

Zařízení s GaN mají ve srovnání s křemíkovými atraktivní vlastnosti, včetně vyšších spínacích rychlostí, nižšího odporu v sepnutém stavu odtok-zdroj („drain-source“) (R_DS(ON)) a lepší tepelný výkon. Nižší R_DS(ON) umožňuje jejich použití v menších a lehčích motorových pohonech a snižuje ztráty energie, šetří energii a náklady v aplikacích, jako jsou elektrokola a drony. Nižší spínací ztráty vedou k účinnějším motorovým pohonům, které mohou prodloužit dojezd lehkých elektrických vozidel („electric vehicles“, EV). Vyšší spínací rychlosti umožňují odezvu motoru s nízkou latencí, což je nezbytné pro aplikace vyžadující přesné řízení motoru, jako je robotika. Zařízení GaN FET lze také použít k vývoji výkonnějších a účinnějších motorových pohonů vysokozdvižných vozíků. Schopnosti zařízení GaN FET zpracovávat vyšší proud umožňují jejich použití pro větší a výkonnější motory.

Pro koncové aplikace jsou hlavními výhodami menší rozměry a hmotnost, vyšší hustota výkonu a účinnost a lepší tepelný výkon.

Začínáme s GaN

Při navrhování s jakýmkoli výkonovým spínacím zařízením, zejména pro střední rozsahy proudu a napětí, je třeba věnovat pozornost nejmenším detailům a jedinečným vlastnostem zařízení. Zařízení GaN mají dvě možnosti vnitřní struktury: režim ochuzování („depletion“, d-GaN) a režim obohacování („enhancement“, e-GaN). Spínač d-GaN je normálně „sepnutý“ a vyžaduje záporné napájení. Navrhovat jej do obvodu je složitější. Naproti tomu spínače e-GaN jsou normálně „vypnuté“ tranzistory MOSFET, což má za následek jednodušší architekturu obvodu.

Zařízení GaN jsou ze své podstaty obousměrná a začnou vést, jakmile zpětné napětí na nich překročí prahové napětí hradla. Dále vzhledem k tomu, že kvůli své konstrukci nejsou schopny provozu v lavinovém režimu, je zásadně důležité mít dostatečné jmenovité napětí. Jmenovité napětí 600 voltů je obecně adekvátní při napětích sběrnice až do 480 voltů pro topologie stejnosměrné konverze buck, boost a bridge.

I když je základní funkcionalita zapínání/vypínání výkonového spínání spínačů GaN jednoduchá, jsou to výkonová zařízení, takže konstruktéři musí pečlivě zvážit požadavky na zapínání a vypínání pohonu, časování spínání, uspořádání, vliv parazitů, řízení toků proudu a poklesy odporu proudu (IR) na desce plošných spojů.

Pro mnoho konstruktérů je využití vyhodnocovacích sad nejúčinnějším způsobem, jak porozumět tomu, co zařízení GaN umí a jak jej používat. Tyto sady používají jednotlivá zařízení GaN nebo více zařízení GaN v různých konfiguracích a úrovních výkonu. Zahrnují také související pasivní součástky, včetně kondenzátorů, induktorů, rezistorů, diod, snímačů teploty, ochranných zařízení a konektorů.

Začněte se zařízeními s nižším výkonem

Vynikajícím příkladem zařízení GaN FET s nižším výkonem je model EPC2065. Má napětí odtok-zdroj (V_DS) 80 voltů, odtokový proud (I_D) 60 A a R_DS(ON) 3,6 mΩ. Dodává se pouze ve formě pasivované matrice s pájecími tyčkami a měří 3,5 × 1,95 mm (obrázek 1).

Obrázek 1: 80V 60A zařízení GaN FET EPC2065 je zařízení s pasivovanou matricí s integrovanými pájecími tyčkami. (Zdroj obrázku: společnost EPC)

Stejně jako u jiných zařízení GaN poskytuje boční struktura zařízení EPC2065 a většinová nosná dioda výjimečně nízký celkový náboj hradla (Q_G) a nulový náboj zpětného zotavení (Q_RR). Díky těmto vlastnostem se dobře hodí pro situace, kde jsou výhodné velmi vysoké spínací frekvence (až několik set kilohertzů) a krátká doba zapnutí, stejně jako pro situace, kde převažují ztráty v sepnutém stavu.

Toto zařízení je podporováno dvěma podobnými vyhodnocovacími sadami: sadou EPC9167KIT pro provoz 20 A/500 W a sadou EPC9167HCKIT s vyšším výkonem pro provoz 20 A/1 kW (obrázek 2). Obě sady jsou třífázové desky měniče motorového pohonu BLDC.

Obrázek 2: Na obrázku je spodní (vlevo) a horní (vpravo) část desky EPC9167. (Zdroj obrázku: společnost EPC)

Základní konfigurace sady EPC9167KIT používá jeden tranzistor FET pro každou spínací polohu a může dodávat až 15 A_RMS (jmenovitá hodnota) a 20 A_RMS (špičková hodnota) proudu na fázi. Naproti tomu konfigurace sady EPC9167HC s vyšším proudem používá dva paralelní tranzistory FET na každou spínací polohu a může dodávat maximální proudy až 20 A_RMS/30 A_RMS výstupního proudu (jmenovitá/špičková hodnota), což demonstruje relativní snadnost, se kterou lze tranzistor GaN FET konfigurovat paralelně pro vyšší výstupní proud. Blokové schéma základní desky EPC9167 je uvedeno na obrázku 3.

Obrázek 3: Blokové schéma základní desky EPC9167 v aplikaci pohonu BLDC. Sada EPC9167HC s vyšším výkonem má dvě zařízení EPC2065 paralelně pro každý spínač, zatímco EPC9167 s nižším výkonem má pouze jeden tranzistor FET na spínač. (Zdroj obrázku: společnost EPC)

Sada EPC9167KIT obsahuje všechny kriticky důležité obvody pro podporu kompletního měniče motorového pohonu, včetně hradlových budičů, regulovaných pomocných napájecích vedení zdrojů administrativních operací, snímání napětí, snímání teploty, snímání proudu a ochranných funkcí.

Desku EPC9167 lze použít s různými kompatibilními řídicími jednotkami a je podporována různými výrobci. S využitím stávajících zdrojů může být pro rychlý vývoj rychle nakonfigurována jako měnič motorového pohonu nebo jako DC-DC převodník. V první roli poskytuje vícefázovou DC-DC konverzi podporující v aplikacích s motorovým pohonem spínací frekvence pulzně šířkové modulace („pulse width modulation“, PWM) až 250 kHz. V nemotorových DC-DC aplikacích pracuje až do 500 kHz.

Přechod na vyšší výkon

Na druhém konci výkonového rozsahu je model EPC2302, zařízení GaN FET s jmenovitými hodnotami 100 V/101 A a R_DS(ON) pouze 1,8 mΩ. Zařízení je vhodné pro vysokofrekvenční DC-DC aplikace od 40 do 60 V a 48V motorové pohony BLDC. Na rozdíl od pouzdra pasivované matrice s pájecími tyčkami používaného pro model EPC2065 je toto zařízení GaN FET umístěno v pouzdru QFN s nízkou indukčností o rozměrech 3 × 5 mm s odkrytou horní částí pro lepší regulaci tepla.

Tepelný odpor horní části pouzdra je nízký, pouhých 0,2 °C na watt, což má za následek vynikající tepelné chování a usnadňuje problémy s chlazením. Odkrytá horní část zlepšuje regulaci tepla horní strany, zatímco boční smáčivé strany zaručují, že celý povrch boční podložky je během procesu pájení přetavením smáčen pájkou. To chrání měď a umožňuje pájení na této vnější boční ploše pro snadnou optickou kontrolu.

Půdorys modelu EPC2302 je menší než polovina velikosti nejlepšího křemíkového tranzistoru MOSFET své třídy s podobným R_DS(on) a jmenovitým napětím, zatímco jeho Q_G a Q_GD jsou výrazně menší a Q_RR je nulový. To má za následek nižší spínací ztráty a nižší ztráty v hradlovém budiči. Zařízení EPC2302 pracuje pro vyšší účinnost s krátkou mrtvou dobou méně než 10 ns, zatímco jeho nulová hodnota Q_RR zvyšuje spolehlivost a minimalizuje elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI).

K vyzkoušení zařízení EPC2302 podporuje vyhodnocovací deska správy výkonu řídicí jednotky / řadiče motoru EPC9186KIT motory do 5 kW a může dodávat až 150 A_RMS a maximální výstupní proud 212 A_PEAK (obrázek 4).

Obrázek 4: Na obrázku je horní část (vlevo) a spodní část (vpravo) vyhodnocovací desky EPC9186KIT 5 kW pro model EPC2302. (Zdroj obrázku: společnost EPC)

K dosažení tohoto vyššího jmenovitého proudu využívá sada EPC9186KIT na jednu spínací polohu čtyři paralelní zařízení GaN FET, což demonstruje snadnost použití tohoto přístupu k dosažení vyšších úrovní proudu. Deska podporuje v aplikacích s motorovým pohonem spínací frekvence PWM až do 100 kHz a obsahuje všechny kriticky důležité funkce pro podporu kompletního měniče motorového pohonu, včetně hradlových budičů, regulovaných pomocných napájecích zdrojů administrativních operací, snímání napětí a teploty, přesného snímání proudu a ochranných funkcí.

Závěr

Motorové měniče jsou kriticky důležitým spojením mezi základním zdrojem energie a motorem. Navrhování menších měničů s vyšší účinností a vyšším výkonem je stále důležitějším cílem. Zatímco konstruktéři mají možnost volby procesní technologie pro kriticky důležitá výkonová spínací zařízení, která používají měniče se středními úrovněmi výkonu, preferovanou možností jsou zařízení GaN, jako jsou zařízení od společnosti EPC.