Optimalizace řídicích jednotek napájení v regulaci průmyslových motorů pomocí modulů GMR10Dx pro řešení vícefázového předpětí

Tento článek se zabývá problematikou návrhu a klíčovými aspekty souvisejícími s vývojem spolehlivé a bezpečné vícefázové řídicí jednotky napájení. Článek se opírá o izolovaný modul DC/DC převodníku GMR10Dx s plovoucími výstupy spárovaný s vysoce integrovanými, duálními spínacími výkonovými moduly hradlových budičů se širokým zakázaným pásem od společnosti Ganmar Technologies. Návrh a konstrukce těchto modulů jsou optimalizovány tak, aby splňovaly systémové požadavky na spolehlivost, bezpečnost, EMI a regulaci tepla.

Je zde uveden ilustrativní příklad systému s třífázovým napětím napájejícím stupeň kompenzace účiníku (PFC), za kterým je zapojena velká zátěž řízená pulzně šířkovou modulací (PWM), například průmyslový motor. Návrh je zaměřen zejména na buzení vysokonapěťových spínačů na bázi GaN od společnosti Infineon (dříve GaN Systems) a poskytuje praktické obvodové řešení. Článek se dále zabývá omezeními tradičních metod buzení polomůstkových (HB) dvojčinných spínačů a jsou zkoumána alternativní řešení pro řízení horních i dolních spínačů. Jsou zde uvedeny i praktické návrhy obvodů pro zajištění spolehlivého a bezpečného provozu při minimalizaci prostorových požadavků. Kromě toho se tato poznámka zabývá snímáním proudu s velkou šířkou pásma s nízkými ztrátami, které proces návrhu dále zjednodušuje.

Dnešní prostředí návrhů představuje řadu výzev, včetně potřeby kompaktního hardwaru, snížení spotřeby energie pro účinné chlazení, zvýšení spolehlivosti s optimalizovanou regulací tepla a nákladově efektivních řešení. Tyto výzvy dále komplikují napjaté rozpočty a kratší časové harmonogramy vývoje. K řešení těchto problémů představuje tento článek standardní subsystémy a stavební bloky, které pomáhají týmům konstruktérů využít odborné znalosti dodavatelů subsystémů a jejich dodržování norem.

S využitím výkonových měničů a modulů rozhraní společnosti Ganmar Technologies nabízí tento článek optimální řešení těchto výzev návrhu. Poskytnuté moduly umožňují efektivní vývoj vícefázového systému hradlového budiče, přičemž jejich standardizovaný tvarový faktor šetří cenné místo na základní desce.

Návrh řídicí jednotky předpětí napájení pro obecný třífázový výkonový vysokonapěťový systém pomocí modulu GMR10Dx

V této části jsou nastíněna kritéria návrhu pro vytvoření řídicí jednotky předpětí napájení ve výkonovém vysokonapěťovém systému využívajícím moduly DC/DC převodníků GMR10Dx společně s plovoucím předpětím buzení hradla, které poskytují moduly GMR04B00x. Jak je znázorněno na obrázku 1a, systém může zahrnovat velkou zátěž řízenou PWM, například průmyslový motor, obsahující více spínačů a vyžadující několik předpětí pro různé funkční bloky. Níže jsou uvedeny klíčové předpoklady pro návrh:

• Kritéria rušení EMI: systém vyžaduje takřka jednotkový účiník, čímž vzniká potřeba kompenzace (PFC).
• Logika spouštění: PFC obsahuje procesor, který vyžaduje nezávislou spouštěcí logiku pro převodníky předpětí.
• Výkonové ztráty: Snížení výkonových ztrát v elektronice řídicí jednotky je rozhodující pro spolehlivost a pro zjednodušení požadavků na chladicí systém.
• Použití běžně dostupných produktů: Návrh maximalizuje využití snadno dostupných součástek.

Na obrázku 1a je celková konfigurace systému, která slouží jako vizuální reference v následných diskuzích o návrhu.

Obrázek 1a: předpětí a spuštění průmyslového řídicího systému s vysoký zatížením. (Zdroj obrázku: Ganmar Technologies)

S odkazem na blokové schéma na obrázku 1a se v této části zaměříme na návrh řídicí jednotky předpětí napájení a její integraci do celého systému. Pro jednotlivé funkce budou prozkoumány možnosti návrhu s výjimkou řídicí jednotky PFC a PWM kvůli potřebě konkrétnějších informací o požadavcích na systémové rozhraní, aby bylo možné tyto funkce důkladně řešit. V důsledku toho se tento článek nebude těmito součástkami podrobně zabývat. Předpokládá se, že systém využívá vysokonapěťové GaN spínače, například modelyGS66516T od společnosti Infineon, ačkoli budou rovněž probrána kritéria pro alternativní spínací technologie, jako jsou SiC nebo bipolární spínače.

Kromě toho budou v tomto článku představeny vysoce integrované moduly plovoucích hradlových budičů s vlastním napájením od společnosti Ganmar Technologies, konkrétně model GMR04B00x. Písmeno „x“ v čísle modelu označuje různé dostupné možnosti čipu pro dva hradlové budiče. Podrobné specifikace a možnosti naleznete v katalogovém listu modelu GMR04B00x.

Řídicí jednotka předpětí napájení

Řídicí jednotka předpětí napájení je navržena tak, aby poskytovala ochranu proti poklesu napájecího napětí při nízkých hodnotách vstupního napětí (podpěťové blokování) a neblokované vypnutí, pokud napájecí napětí překročí maximální nastavený limit (přepěťové blokování). Pokud se vstupní napětí AC nachází v bezpečných provozních hodnotách, modul GRM10Dx generuje izolované stejnosměrné výstupy při běžných napětích, typicky 6 V a 22 V. Ve větších systémech mohou být vyžadovány další formy napětí. Obrázek 1b znázorňuje typickou konfiguraci pro získání těchto napětí. Výstup 5 V s nízkým výkonem se používá k napájení čipu pro dva hradlové budiče v modulu GMR04B00x, konkrétně hradlový budič ADUM7223 od společnosti Analog Devices. Další dostupné možnosti naleznete v katalogovém listu modelu GMR04B00x.

Obrázek 1b: Typické tvary spojovacích obvodů odvozených od modulu GMR10Dx. (Zdroj obrázku: společnost Ganmar Technologies)

Modul GMR04B00x interně napájí svou plovoucí stranu, aby poskytoval dvě 12V předpětí. High-side 12 V (12 VH) dodává předpětí do výstupního budič VIA pro horní výkonový spínač, přičemž úroveň hradlového budiče je +5,6 V / −5,6 V vzhledem k uzlu HBU. Podobné konfigurace rozděleného budiče se používají kolem obvodů fáze V a W.

Pro lower-side spínač je modulem GMR04B00x interně generováno samostatné napětí 12 VL, na které lze odkazovat pomocí zpětného napájecího low-side uzlu s libovolnou polaritou. Například výstup VIB budiče ADUM7223 je rozdělen na +5,6 V / −5,6 V rozdělovací sítí, což zajišťuje správnou funkci spodního spínače na bázi GaN.

Pro spínače na bázi SiC poskytuje jiná verze modulu GMR04B00x napětí 15 V, 18 V nebo 22 V, které lze z výroby nastavit tak, aby vyhovovalo různým spínačům na bázi SiC s vysokým výkonem. Výstupy rozdělovacího obvodu poskytují ± plovoucí předpětí pro buzení spínačů na bázi karbidu křemíku s konfigurací high-side a low-side vzhledem k horním uzlům HBU/V/W a podobně pro spodní uzly libovolné polarity. Dostupné možnosti naleznete v katalogovém listu modelu GMR04B00x.

Sekce řídicí jednotky předpětí napájení společně s regulátory LDO znározněnými na obrázku 1b napájí další dva moduly rozhraní GRM04B00x připojené přímo k hradlům v uzlech V a W. Kromě toho může výstup 22 V napájet analogové řadiče, digitální sekce a I/O čipy na uživatelské desce prostřednictvím LDO. Pokud uživatelé potřebují vyšší výkon, mohou pomocí pokynů v Aplikační poznámce využít paralelní řazení více modulů GMR10Dx.

Problémy se spouštěním

Před uvedením digitálních procesorů do provozu je zásadně důležité poskytnout jim stabilní zdroj energie. To vyžaduje provoz řídicí jednotky předpětí z napájecího zdroje nezávislého na PFC. Obvody výkonových převodníků společnosti Ganmar spotřebovávají až 18 wattů ze zdroje AC, což fázové vztahy vstupu AC ovlivňuje minimálně. Modul GMR10DX podporuje rozsah vstupního napětí 100 V_DC až 320 V_DC, což pokrývá typický rozsah pro off-line aplikace.

Pro vyšší zdrojová napětí, s nimiž se často setkáváme ve vysoce výkonných aplikacích, kde mohou usměrňovače produkovat až 380 V, kontaktujte technickou podporu společnosti Ganmar, která vám nabídne další možnosti v rámci řady GMR10Dx.

Obrázek 2 znázorňuje typický 6diodový můstkový usměrňovač vhodný pro spouštění systému s tímto modulem. Jakmile vstupní AC napětí překročí přibližně 42 V_RMS (60 nebo 400 Hz), což se projeví ve výstupním napětí 200 V_DC z můstku s malým kondenzátorem 10 µF, začnou moduly generovat výstupy s maximálním zpožděním 70 ms při nízké zátěži. Toto zpoždění je přijatelné, protože během spouštění neodebírají energii žádné jiné systémové bloky.

Pokud během přechodových událostí způsobí vstupy AC, že výstup 6diodového můstkového usměrňovače překročí bezpečný provozní rozsah modulu převodníku, modul se vypne, dokud se usměrněné napětí nevrátí na bezpečnou úroveň. Dále platí, že pokud usměrněné napětí klesne pod 100 V, aktivuje se funkce ochrany proti poklesu napájecího napětí (podpětí).

Obrázek 2: přímý odběr max. 18 W z AC vstupu pro spouštění a předpětí. (Zdroj obrázku: Ganmar Technologies)

Vstupní filtrace

Výkonové spínací moduly, jako je model GRM10Dx, vykazují „negativní“ impedanční charakteristiku vůči svým vstupním napájecím zdrojům. Tato vlastnost vyžaduje pečlivý návrh filtru, aby byla zajištěna stabilita na rozhraní. Zatímco detailní návrh vstupních filtrů je obsáhle pokryt v různých zprávách a publikacích, tento článek poskytuje stručný přehled vstupních charakteristik modulu GRM10Dx.

Pro typickou zátěž s konstantním výkonem 15 W vlivem buzení tranzistorů GaN při napětí usměrňovače 200 V a účinnosti 0,85 se ekvivalentní impedance vypočítává jako |200²/(15/η)|, což přináší výsledek přibližně 3,14 kΩ. Tato impedance je relativně vysoká ve srovnání s impedancí zdroje, což požadovanému filtru usnadňuje ji efektivně obejít. V blízkosti modulu GRM10Dx se však doporučuje instalovat tlumicí kondenzátor 10 µF / 400 V. Samotný modul obsahuje kondenzátor 0,47 µF pro zvládnutí okamžitých proudových špiček způsobených vnitřními spínacími událostmi. Hodnota ekvivalentního sériového odporu („Equivalent Series Resistance“, ESR) externího kondenzátoru není kriticky důležitá za předpokladu, že hlavní filtr PFC nabízí dostatečné tlumení.

Ke snadné integraci s modulem GRM10Dx poskytuje společnost Ganmar Technologies také tradiční modul můstkového usměrňovače vstupu AC, doplněný pojistkou a filtrem EMI. Toto řešení zjednodušuje proces připojení ke zdroji AC. Podrobnosti o integraci tohoto modulu získáte od technické podpory společnosti Ganmar.

Předpětí budiče

Obrázek 3: 3fázové zapojení (Zdroj obrázku: Ganmar Technologies)

Obrázek 4: Modul GMR10D000. (Zdroj obrázku: Ganmar Technologies)

Na obrázcích 3 a 4 je schéma a fotografie modulu GMR10D000, izolovaného DC/DC převodníku schopného dodávat 15 W se dvěma výstupy. V_OUT1 obvykle poskytuje 6,5 V při 3 W, zatímco V_OUT2 poskytuje 22 V při 12 W. Oba výstupy dosáhnou ustáleného stavu do 10 ms. V této části bude vysvětleno, jak připojit funkce uvedené na obrázku 1 k zařízením GMR10Dx, abyste dosáhli požadované funkčnosti a výkonu.

Obrázek 5: funkční schéma budicí strany modulu (zobrazeno s modelem GMR10D005). (Zdroj obrázku: Ganmar Technologies)

Obrázek 5 znázorňuje propojení více modulů GMR10Dx pro splnění funkcí řídicí jednotky předpětí napájení. V této části je podrobně vysvětleno použití modulu GMR04B008 v kontextu bloku HS-U. Další dva moduly lze snadno replikovat připojením referenčních zpětných uzlů, které odpovídají jejich příslušným uzlům.

Obrázek 6: vnitřní schéma modulu GMR04B00x s plovoucím a přímým buzením hradla. (Zdroj obrázku: Technologies)

Obrázek 6 ukazuje dostupnost napájení 22 V s ohledem na často odkazovaný „zemní“ uzel GNDS.

Požadavky na rozhraní výkonového stupně

Jak je znázorněno na obrázku 6, obecně se v systémech na bázi GaN doporučuje použít záporné předpětí pro vypnutí výkonových zařízení na bázi GaN, zejména v topologiích s tvrdým spínáním, kde proudy přesahují 30 A. Na obrázku 7 jsou uvedeny ilustrativní grafy (z webináře společnosti Infineon) demonstrující tento přístup.

Obrázek 7: Vlivy V_EE na dynamiku vypínání. (Zdroj obrázku: společnost Infineon)

Implementace a zapínací/vypínací charakteristiky – implementace rozdělovačů modulu pro zařízení Infineon zajišťuje efektivní zapínací a vypínací napětí při minimalizaci ztrát při vypínání. K vyšší účinnosti přispívají rozdělené vlnové křivky budiče a návrh zařízení GS66xx společnosti Infineon spolu s jedinečnou konstrukcí transformátoru, který snižuje kmitavé špičky během procesu vypínání zařízení GS66xx.

Zapnutí/vypnutí

Pro úplné zapnutí je nutný hradlový pohon 5,6 V s minimální parazitní indukčností a kapacitní vazbou mezi citlivými spínacími uzly a trasami. Zásadní je dodržovat pokyny dodavatele GaN pro správné umístění a směrování obvodů.

Během vypínání se napětí zdroje brány (V_GS ) by mělo být výrazně nižší než prahové napětí (V_TH ), s referenční úrovní přibližně 0 V ve zde diskutovaných obvodech. Tento článek předpokládá použití IC ovladače brány ADUM7223 od Analog Devices. Je důležité poznamenat, že podpěťový zámek na výstupu budiče (UVLO) je 5 V, takže je vhodný pro 5,6V hradlový pohon vyžadovaný zařízeními GaN. Ztrátový výkon budiče pro toto zařízení na bázi GaN lze vypočítat pomocí katalogového listu budiče:

Za předpokladu spínání 250 kHz a níže uvedených hodnot, lze vypočítat P_D:

Konfigurace budiče má za následek výkonovou ztrátu 100 mW, což je v rámci možností modulů GMR10Dx a GMR04B00x. Modul GMR10Dx je schopen poskytnout podstatně vyšší výkon, než je pro budič vyžadováno, což zajišťuje robustní napájení pro jeho provoz.

Nastavení HV GaN pro budič

Modul GMR10Dx dodává potřebná předpětí pro horní i dolní budič na bázi GaN v polomůstkové konfiguraci. Na obrázku 8 je znázorněno připojení pro budiče na bázi GaN z rozdělovačů.

Správné referencování zpětných uzlů předpětí má zásadní význam pro zamezní chybného spínacího chování a případného poškození zařízení na bázi tranzistorů GaN. Uživatelé by se měli řídit pokyny a doporučeními uvedenými v katalogových listech a aplikačních poznámkách zařízení na bázi GaN, aby bylo zajištěno správné a bezpečné fungování. Další pokyny lze nalézt v aplikačních informacích v katalogovém listu integrovaného modulu GMR04Bx se dvěma přímými budiči.

Obrázek 8: uspořádání s totemovým pólem a klasická polomůstková konfigurace s rozdělenými přímými spoji buzení ke spínačům na bázi tranzistorů GaN. (Zdroj obrázku: Ganmar Technologies)

Modul GMR04B00x dodává potřebné plovoucí předpětí pro horní hradlový budič spínače na bázi GaN, čímž eliminuje potřebu dalších obvodů, jako je létající bootstrap kondenzátor pro generování požadovaného předpětí.

S moduly GMR04B00x mohou být plovoucí napětí hradlového budiče připojena přímo k hradlům horního i dolního spínače na bázi GaN, což poskytuje stabilní buzení hradla ± 5,6 V. Tento přístup zjednodušuje návrh odstraněním potřeby, aby řídicí jednotka spínala spodní zařízení k vygenerování předpětí pro horní hradlový budič.

Použití modulů GMR04B00x umožňuje dosažení požadovaných napětí buzení hradla pro horní i dolní spínače na bázi GaN bez složitosti a dalších součástek požadovaných alternativními metodami předpětí.

Tradiční schéma bootstrap, jak je znázorněno na obrázku 9, má několik nevýhod, včetně potřeby dalších součástek, jako jsou diody a nepolární kondenzátory, jejichž hodnoty mohou vyžadovat úpravu na základě specifických požadavků zařízení na bázi tranzistorů GaN nebo jiných součástí. Významnými nevýhodami jsou u tohoto přístupu problémy se spouštěním a nedostatek stabilního předpětí. Navíc je tradiční schéma bootstrap nekompatibilní s bipolárními HB uzly.

Obrázek 9: tradiční schéma plovoucího hradlového budiče s předpětím (Zdroj obrázku: společnost Ganmar Technologies)

Naproti tomu kompaktní uspořádání modulů GMR10Dx a GMR04B00x spolu s jejich přidruženými rozšířeními zdůrazňuje jejich výhody v úspoře místa. Díky tomu jsou praktickým řešením pro aplikace vyžadující efektivní předpětí a správné referencování.

Snímání proudu

Na obrázcích 10 a 11 je znázorněna integrace snímání proudu pomocí bočníkových rezistorů s moduly GMR10Dx a GMR04B00x. Bočníkové rezistory se běžně používají k měření a monitorování proudu protékajícího obvodem. Umístěním těchto rezistorů strategicky do proudové cesty lze měřit úbytek napětí na nich a použít ho k výpočtu proudu.

V kontextu modulů GMR jsou bočníkové rezistory se snímáním proudu zapojeny do série se zátěží nebo s izolovaným modulem snímání proudu s velkou šířkou pásma. Toto nastavení zajišťuje přesné snímání a monitorování proudu. Moduly GMR poskytují potřebná plovoucí předpětí nebo předpětí referencovaná k zemi a napájení pro podporu systémů snímání proudu, což zajišťuje spolehlivá a přesná měření.

Začlenění snímání proudu do návrhu systému umožňuje uživatelům shromažďovat cenné informace o úrovních proudu a monitorovat výkon obvodu nebo systému. To je zvláště užitečné v aplikacích vyžadujících přesné řízení proudu nebo ochranu, jako je řízení motoru, výkonová elektronika nebo systémy obnovitelné energie.

Obrázek 10: snímání proudu pomocí staršího bočníku. (Zdroj obrázku: Ganmar Technologies)

Obrázek 11: nedisipativní snímání proudu pomocí modulu GMRCS000. (Zdroj obrázku: společnost Ganmar Technologies)

Společnost Ganmar Technologies nabízí moduly GMRCSN000 a GMRCSP000 jako kompaktní, izolovaná, nedisipativní řešení senzorů proudu. Tyto moduly poskytují izolované snímání proudu s velkou šířkou pásma, aniž by vyžadovaly další bočníkové rezistory v proudové cestě. Toto řešení eliminuje výkonové ztráty výkonu a zjednodušuje návrh.

Moduly GMRCSN000 a GMRCSP000 detekují proud protékající obvodem a nabízejí dvě výstupní polarity: 0 až +Vsense a −Vsense až 0. Tyto výstupní rozsahy jsou vhodné pro přímé propojení s analogově-digitálním převodníkem ( ADC) vestavěných řídicích jednotek nebo pro analogové řadiče používané v aplikacích PFC bez můstků.

Využití modulů GMRCSN000 nebo GMRCSP000 zjednodušuje implementaci snímání proudu, šetří cenný prostor na desce a zajišťuje přesná a izolovaná měření proudu. Chcete-li získat více informací o těchto modulech a jejich příslušných číslech dílů, kontaktujte technickou podporu společnosti Ganmar Technologies, která vám poskytne podrobnou pomoc a pokyny k integraci.

Závěr

Tento článek podrobně popisuje komplexní přístup k návrhu spouštění systému a vytváření předpětí pomocí modulů GMR10Dx a GMR04B00x ve spojení s vysokonapěťovými a vysoce výkonnými spínači na bázi tranzistorů GaN. Důraz je kladen na spínače na bázi GaN od společnosti Infineon, které se běžně používají v aplikacích, jako jsou 3fázové motory, 3fázové invertory a nabíječky EV úrovně 3.

Návrh nabízí oproti tradičním přístupům několik výhod, včetně vyšší spolehlivosti, kompaktnosti a účinnosti. Moduly GMR10Dx a GMR04B00x poskytují všestranné a robustní řešení pro spouštění systému a vytváření předpětí a nabízejí přímé připojení k hradlům těchto spínačů.

Kromě toho jsou v článku představeny moduly GMRCSN000 a GMRCSP000, které nabízejí kompaktní nedisipativní řešení snímání proudu s flexibilními výstupními schopnostmi. Tyto moduly zjednodušují implementaci snímání proudu a poskytují přesná izolovaná měření proudu.

Využitím návrhových přístupů a řešení uvedených v tomto článku mohou konstruktéři výrazně zvýšit výkon a spolehlivost svých systémů využívajících spínače na bázi GaN. Kromě toho mohou těžit z odborných znalostí a podpory poskytované společností Ganmar Technologies.