Optimalizace řadičů napájení v řízení průmyslových motorů pomocí modulů GMR10Dx pro řešení vícefázového předpětí

Tento článek se zabývá výzvami návrhu a klíčovými aspekty souvisejícími s vývojem spolehlivého a bezpečného vícefázového řadiče napájení. Využívá k tomu modul izolovaného DC/DC převodníku GMR10Dx s plovoucími výstupy, spárovaný se dvěma vysoce integrovanými spínanými výkonovými moduly společnosti Ganmar Technologies s hradlovým budičem se širokým zakázaným pásem. 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, který ukazuje třífázový vstup AC napájející stupeň s kompenzací účiníku („Power Factor Correction“, PFC), po kterém následuje velká zátěž řízená pulzně šířkovou modulací („Pulse Width Modulation“, PWM), jako je motor průmyslové třídy. Návrh je zaměřen zejména na buzení vysokonapěťových spínačů na bázi GaN od společnosti Infineon (dříve GaN Systems) a poskytuje praktické obvodové řešení. V článku se dále řeší omezení tradičních metod buzení polomůstkových („half-bridge“, HB) dvojčinných spínačů a jsou zkoumána alternativní řešení pro řízení horních i dolních spínačů. Uvedeny jsou zde i praktické návrhy obvodů pro zajištění spolehlivého a bezpečného provozu při minimalizaci prostorových požadavků. Kromě toho se tato poznámka zabývá nízkoztrátovým snímáním proudu s velkou šířkou pásma, 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 řadiče napájení pro předpětí pro obecný třífázový vysokonapěťový systém s vysokým výkonem s využitím modelu GMR10Dx

V této části jsou nastíněny aspekty návrhu pro vytvoření řadiče napájení pro předpětí ve vysokonapěťovém systému s vysokým výkonem využívajícím moduly DC/DC převodníků GMR10Dx spolu s plovoucím předpětím hradlového budiče, které poskytují moduly GMR04B00x. Jak je znázorněno na obrázku 1a, systém může zahrnovat velkou zátěž řízenou PWM, jako je průmyslový motor, obsahující více spínačů a vyžadující několik předpětí pro různé funkční bloky. Níže jsou uvedeny klíčové předpoklady pro návrh:

• Aspekty týkající se EMI: Systém vyžaduje účiník blížící se jednotnosti, což vyžaduje použití PFC.
• Logika spouštění: PFC obsahuje procesor, který vyžaduje nezávislou spouštěcí logiku pro převodníky předpětí.
• Výkonové ztráty: Snížení výkonových ztrát v elektronice řadiče 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 vysokou zátěží. (Zdroj obrázku: společnost Ganmar Technologies)

S odkazem na blokové schéma na obrázku 1a se v této části zaměříme na návrh řadiče napájení pro předpětí a jeho integraci do celého systému. Pro jednotlivé funkce budou prozkoumány možnosti návrhu s výjimkou řadiče 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 spínače na bázi GaN, jako např. model GS66516T od společnosti Infineon, ačkoli budou diskutovány také úvahy o alternativních technologiích spínačů, jako jsou spínače na bázi 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.

Řadič napájení pro předpětí

Řadič napájení pro předpětí je navržen tak, aby nabízel ochranu před vypnutím při nízkých vstupních hodnotách střídavého proudu (UVLO) a poskytoval neblokované vypnutí, pokud vstupy AC překročí maximální nastavený limit (OVLO). Když je vstup AC 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 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) předpíná výstupní 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 spínač lower-side je modulem GMR04B00x interně generováno samostatné napětí 12 VL, které lze referencovat se zpětným uzlem napájení low-side 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 řadiče napájení pro předpětí spolu s vyobrazenými LDO 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. V případě potřeby vyššího výkonu mohou uživatelé nahlédnout do aplikační poznámky, kde najdou pokyny k paralelnímu zapojení modulů GMR10Dx.

Problémy se spouštěním

Před uvedením digitálních procesorů do provozu je zásadně důležité poskytnout jim stabilní zdroj energie. To vyžaduje provoz řadiče 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 vstup AC překročí přibližně 42 V_RMS (60 Hz nebo 400 Hz), což má za následek výstup 200 V_DC z můstku s malým kondenzátorem 10 µF, začnou moduly produkovat 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. Pokud usměrněné napětí klesne pod 100 V, aktivuje se navíc podpěťová ochrana proti vypnutí.

Obrázek 2: Odběr max. 18 W ze vstupu AC přímo pro spouštění a předpětí. (Zdroj obrázku: společnost Ganmar Technologies)

Vstupní filtrování

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 o konstantním výkonu 15 W v důsledku buzení na bázi GaN, s napětím usměrňovače 200 V a účinností 0,85, se ekvivalentní impedance vypočítá jako |200²/(15/η)|, což je 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. To zjednodušuje proces připojení ke zdroji AC. Podrobnosti o integraci tohoto modulu získáte od technické podpory společnosti Ganmar.

Předpětí budiče

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 3: Zapojení 3 fází. (Zdroj obrázku: společnost Ganmar Technologies)

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

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

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

Obrázek 6 ukazuje dostupnost napájení 22 V s ohledem na běžně referencovaný uzel „zem“ GNDS.

Obrázek 6: Interní schéma modulu GMR04B00x s plovoucím napájením hradla a přímými buzeními. (Zdroj obrázku: společnost Ganmar Technologies)

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 vyžadován hradlový budič 5,6 V s minimální parazitní indukčností a kapacitní vazbou mezi citlivými spínacími uzly a spoji. Zásadní je dodržovat pokyny dodavatele GaN pro správné umístění a směrování obvodů.

Během vypínání by mělo být napětí hradlo-zdroj (V_GS) výrazně nižší než prahové napětí (V_TH), s referenční úrovní ve zde diskutovaných obvodech přibližně 0 V. Tento článek předpokládá použití integrovaného obvodu hradlového budiče ADUM7223 od společnosti Analog Devices. Je důležité si uvědomit, že blokování při podpětí („Under Voltage Lockout“, UVLO) výstupu budiče je 5 V, takže je vhodný pro hradlový budič 5,6 V vyžadovaný zařízeními na bázi 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 je zásadní pro zabránění nevyzpytatelnému spínacímu chování a případnému poškození zařízení na bázi 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: Dvojčinné uspořádání a klasická konfigurace polomůstku s rozdělenými přímými spoji budiče ke spínačům na bázi GaN. (Zdroj obrázku: společnost 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 řadič spínal 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 GaN nebo jiných zařízení. 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 předpětí hradlového budiče. (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: Tradiční snímání proudu pomocí bočníkového rezistoru. (Zdroj obrázku: společnost Ganmar Technologies)

Obrázek 11: Nedisipativní snímání proudu pomocí modelu 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. To eliminuje 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 („Analog-to-Digital Converter“, ADC) vestavěných řadičů 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 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.

Pro zákazníky, kteří mají zájem o implementaci těchto návrhů se součástkami společnosti Ganmar Technologies, jsou k dispozici schémata, kusovníky a rozvržení (pokud je to možné) ve formátu Altium kompatibilním s KiCad. Chcete-li to dále probrat, máte dotazy na ceny a dostupnost, kontaktujte technickou podporu nebo prodejní tým společnosti Ganmar Technologies.

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.