Integracja stopni mocy w technologii azotku galu (GaN) do wysokosprawnych systemów napędowych z zasilanymi bateryjnie silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC)

Zastosowania z zasilaniem bateryjnym, takie jak roboty współpracujące (koboty), rowery elektryczne, drony przemysłowe i elektronarzędzia wymagają mocnych silników elektrycznych o niewielkich rozmiarach. Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) są dobrą opcją, ale elektronika napędu silnikowego jest dość skomplikowana, z wieloma kwestiami projektowymi do uwzględnienia. Projektant musi ściśle regulować moment obrotowy, prędkość i pozycję, zapewniając jednocześnie wysoką precyzję przy minimalnych drganiach, hałasie i promieniowaniu elektromagnetycznym (EMR). Dodatkowo należy unikać nieporęcznych radiatorów i zewnętrznych wiązek przewodów, aby zaoszczędzić na ciężarze, przestrzeni i kosztach.

Jak to często bywa, wyzwaniem dla projektantów staje się zrównoważenie wymagań projektowych z presją czasu i budżetu - przy jednoczesnym unikaniu kosztownych błędów rozwojowych. Jednym ze sposobów na osiągnięcie tego celu jest wykorzystanie szybkich, niskostratnych technologii półprzewodnikowych, takich jak azotek galu (GaN) w stopniach mocy wymaganych do sterowania silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC).

W artykule omówiono względne zalety stopni mocy opartych na azotku galu (GaN) i przedstawiono przykładowe urządzenie firmy EPC, zrealizowane w topologii półmostkowej. Wyjaśniono sposób wykorzystania powiązanych zestawów rozwojowych do szybkiego rozpoczęcia prac nad projektem. W rezultacie projektanci dowiedzą się, jak mierzyć parametry silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC), obsługiwać go w trybie bezczujnikowego sterowania polowo-zorientowanego (FOC) przy minimalnym wysiłku programistycznym z wykorzystaniem pakietu MotorBench Development Suite firmy Microchip Technology.

Zalety azotku galu (GaN)

Wysokosprawne sterowanie silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (BLDC) w zastosowaniach bateryjnych wymaga od konstruktorów użycia wydajnego, lekkiego stopnia sterującego o niewielkich rozmiarach, który można zaimplementować jak najbliżej aktuatora. Na przykład w obudowie silnika.

Tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) są wytrzymałe i mogą przełączać duże moce do 100MW przy maksymalnej częstotliwości 200kHz, ale nie nadają się do urządzeń, które muszą zarządzać ładunkiem baterii przy napięciach do 80V. Wysoka rezystancja zestykowa, dioda zwrotna i straty przełączania, jak również ogon prądowy podczas wyłączania, powodują zniekształcenia sygnału, nadmierne wytwarzanie ciepła i szkodliwe emisje.

Tranzystory polowe metalowo-półprzewodnikowe (MOSFET) przełączają się szybciej i mają niższe straty przełączania oraz rezystancyjne w porównaniu do tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT), ale pojemność ich bramki wymaga bardzo mocnego sterownika bramek, aby pracować z wysokimi częstotliwościami przełączania. Możliwość pracy przy wysokich częstotliwościach jest ważna, ponieważ pozwala projektantom stosować mniejsze komponenty elektroniczne, aby zmniejszyć ogólne wymagania dotyczące przestrzeni.

Przechodząc do tranzystorów opartych na azotku galu i wysokiej ruchliwości elektronów (GaN HEMT), ich wysoka ruchliwość nośników pozwala budować i zrywać połączenia półprzewodnikowe niezwykle szybko i z małymi stratami. Zintegrowany sterownik GaN, taki jak EPC23102ENGRT, charakteryzuje się wyjątkowo niskimi stratami przełączania i wysokimi częstotliwościami przełączania, umożliwiając tworzenie kompaktowych projektów urządzeń w najciaśniejszych przestrzeniach. Układ monolityczny zawiera wejściowy interfejs logiczny ze zmieniaczami poziomów, ładowanie typu bootstrap oraz obwody sterownika bramek, które sterują wyjściowymi tranzystorami polowymi GaN FET w topologii półmostkowej (ilustracja 1). Obudowa układu jest zoptymalizowana pod względem rozpraszania ciepła i niskiej indukcyjności pasożytniczej.

Ilustracja 1: układ EPC23102 zawiera logikę sterującą, zmieniacze poziomów, sterowniki bramek i wyjściowe tranzystory polowe GaN FET w topologii półmostkowej (po lewej). Obudowa układu (z prawej) jest zoptymalizowana pod względem rozpraszania ciepła i niskiej indukcyjności pasożytniczej. (Źródło ilustracji: EPC)

Mniej ciepła traconego i niższe promieniowanie elektromagnetyczne (EMR)

Tranzystory wyjściowe EPC23102 mają typową rezystancję dren-źródło w stanie włączenia (R_DS(on)) wynoszącą 5,2mΩ (przy 25°C). Obsługują one napięcia do 100V i prądy do maksymalnie 35A. Dodatkowo poprzeczna struktura urządzenia zbudowanego w oparciu o azotek galu (GaN) i brak wewnętrznej diody podłożowej zapewniają wyjątkowo niski ładunek bramki (Q_G) i ładunek regeneracyjny (Q_RR).

W porównaniu do urządzenia MOSFET o podobnej rezystancji R_DS(on), sterownik oparty na azotku galu (GaN) osiąga nawet pięciokrotnie niższe straty przy przełączaniu. Dzięki temu przemiennik z komponentami opartymi na azotku galu (GaN) pracuje ze względnie wysokimi częstotliwościami modulacji szerokości impulsu (PWM) - do 3MHz - oraz z krótszym czasem martwym (poniżej 50ns).

Wysokie szybkości przełączania (dV/dt) i niski współczynnik temperaturowy półprzewodników azotkowo-galowch (GaN) w obudowie o zmniejszonej indukcyjności pasożytniczej minimalizują zniekształcenia sygnału, a tym samym minimalizują promieniowanie elektromagnetyczne (EMR) i straty przełączania. Zmniejsza to potrzebę stosowania strategii filtrowania, a mniejsze, tanie kondensatory i cewki indukcyjne pozwalają zaoszczędzić miejsce na płytce.

Wraz z niską rezystancją zestykową R_DS(on), inne zalety urządzeń azotkowo-galowych (GaN), takie jak wysoka przewodność cieplna podłoża GaN i duża powierzchnia kontaktu cieplnego w obudowie komponentu pozwala stopniom mocy GaN przełączać prądy do 15A bez radiatora (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wzrost temperatury w zależności od prądu fazowego dla stopnia mocy GaN w temperaturze otoczenia 25,5°C i przy różnych częstotliwościach modulacji szerokości impulsu (PWM). (Źródło ilustracji: EPC)

Urządzenie EPC23102 posiada również solidne konwertery poziomów z kanałów strony niskiej do strony wysokiej, zaprojektowane do pracy w warunkach miękkiego i twardego przełączania - nawet przy znacznych ujemnych napięciach na zaciskach - oraz do unikania fałszywego wyzwalania przez szybkie stany przejściowe dV/dt, w tym pochodzące ze źródeł zewnętrznych lub sąsiednich faz. Wewnętrzne obwody zawierają funkcje logiczne oraz funkcje ładowania i wyłączania zasilania typu bootstrap. Funkcje ochronne zapobiegają niepożądanemu włączaniu wyjściowych tranzystorów polowych, gdy napięcia zasilające są zbyt niskie lub nawet nie występują.

Gotowy do użycia zestaw ewaluacyjny falownika silnika

Najprostszym i najszybszym sposobem na uruchomienie trójfazowego silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC) w technologii GaN jest użycie zestawu ewaluacyjnego przemiennika silnika EPC9176KIT firmy EPC. Zawiera on płytkę przemiennika silnika EPC9176 i płytkę kontrolera z cyfrowym procesorem sygnałowym (DSP). Komplet zawiera również prosty adapter wtykowy kontrolera EPC9147E do sterowania za pomocą specyficznego dla klienta kontrolera hosta. Złącze sprzęgające przenosi następujące sygnały: 3 × PWM, 2 × enkoder, 3 × U_faz., 3 × I_faz., U₌, I₌ i 2 × dioda LED statusu.

Projekt referencyjny w postaci płytki przemiennika silnika EPC9176 ułatwia projektowanie obwodów we własnym zakresie, natomiast płytka kontrolera EPC9147A, w połączeniu ze środowiskiem programistycznym MotorBench firmy Microchip Technology, umożliwia użytkownikom szybkie rozpoczęcie pracy bez konieczności poświęcania czasu na kodowanie lub programowanie.

Trójfazowy przemiennik bezszczotkowego silnika prądu stałego (BLDC) integruje trzy sterowniki półmostkowe GaN EPC23102 do sterowania silnikami prądu zmiennego lub prądu stałego oraz przetwornice mocy prądu stałego. Przy rezystancji R_DS(on) wynoszącej maksymalnie 6,6mΩ, stopień mocy powoduje niewielkie straty cieplne przy szczytowych prądach obciążeniowych do 28A (A_pk) lub 20A prądu skutecznego (A_RMS) w pracy ciągłej przy napięciach przełączania do 100V. Skonfigurowane do wielofazowej konwersji prądu stałego urządzenie EPC23102 obsługuje częstotliwości przełączania modulacji szerokości impulsu (PWM) do 500kHz oraz do 250kHz w zastosowaniach napędów silnikowych.

Płytka EPC9176 przemiennika silnika o wymiarach 8,1 × 7,5cm zawiera wszystkie krytyczne obwody funkcjonalne niezbędne do obsługi kompletnego przemiennika silnika, w tym kondensatory szyny prądu stałego, sterowniki bramek, a także do pomiaru regulowanego napięć pomocniczych, napięcia fazowego, prądu fazowego i temperatury, wraz z funkcjami zabezpieczającymi i opcjonalnymi filtrami harmonicznych lub promieniowania elektromagnetycznego (EMR) dla każdej fazy (ilustracja 3).

Ilustracja 3: przemiennik silnika EPC9176 zawiera kondensatory szyny prądu stałego, sterowniki bramek, regulator napięcia, funkcje pomiaru napięcia, funkcje zabezpieczeń prądowych i temperaturowych oraz filtry promieniowania elektromagnetycznego (EMR). (Źródło ilustracji: EPC)

Trójfazowy przemiennik w technologii azotkowo-galowej (GaN) działa z napięciami wejściowymi od 14 do 65V₌. Przełączanie odbywa się bez przeregulowania, co zapewnia płynny moment obrotowy i minimalny hałas podczas pracy. Płytka jest zoptymalizowana pod kątem typowego dla azotku galu (GaN) szybkiego zbocza przełączania poniżej 10V/ns, które może być opcjonalnie zredukowane do obsługi przetwornicy prądu stałego. Ponadto można podłączyć dwa czujniki pozycji wirnika (czujniki Halla) pracujące z różnymi poziomami napięcia.

Moment obrotowy wolny od drgań i niski hałas podczas pracy

Na przykładzie wdrożenia trójfazowego silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC) zademonstrowano wpływ parametryzacji czasu martwego na płynność pracy silnika, a tym samym na generowanie hałasu. Czas blokady przy przejściu przełączania tranzystora polowego po stronie wysokiej i po stronie niskiej półmostka opartego na tranzystorach polowych w technologii azotku galu (GaN) można ustawić na bardzo małą wartość, ponieważ azotkowo-galowe tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów (GaN HEMT) reagują niezwykle szybko i nie wytwarzają pasożytniczych przeregulowań, jak to ma miejsce w przypadku wolniejszych tranzystorów MOSFET.

Na ilustracji 4 (z lewej strony) przedstawiono przemiennik azotkowo-galowy (GaN) działający przy typowym dla tranzystorów MOSFET czasie martwym 500ns i modulacji szerokości impulsu (PWM) z częstotliwością 40kHz. To, co powinno być gładkim sinusoidalnym prądem fazowym, wykazuje niezwykle wysokie zniekształcenia, co skutkuje wysokimi tętnieniami momentu obrotowego i związanym z tym hałasem. Na ilustracji 4 (z prawej strony) czas martwy został zredukowany do 50ns, co pozwala uzyskać sinusoidalny prąd fazowy i płynnie pracujący silnik wytwarzający bardzo mało hałasu.

Ilustracja 4: czas martwy wynoszący 500ns przy częstotliwości modulacji szerokości impulsu (PWM) 40kHz (po lewej), typowy dla tranzystorów MOSFET, powoduje silne zniekształcenia prądu fazowego, co skutkuje wysokimi tętnieniami momentu obrotowego i wysokimi poziomami hałasu. Przy czasie martwym 50ns (po prawej) generowany jest sinusoidalny prąd fazowy, dzięki czemu silnik obraca się płynnie przy niskim poziomie hałasu. (Źródło ilustracji: EPC)

Mniejsze tętnienia prądu fazowego oznaczają również mniejsze straty magnetyzacji w cewkach stojana, natomiast mniejsze tętnienia napięcia fazowego pozwalają na uzyskanie wyższej rozdzielczości, a także bardziej precyzyjnej kontroli nad momentem i prędkością, zwłaszcza w przypadku silników o niskiej indukcyjności stosowanych w mniejszych konstrukcjach.

Do zastosowań w napędach silnikowych, które wymagają większej mocy, dostępne są dwie płytki przemiennika azotkowo-galowego (GaN): EPC9167HCKIT (1kW) i EPC9167KIT (500W). Obie wykorzystują układ EPC2065 z tranzystorami GaN FET, charakteryzujący się maksymalną rezystancją R_DS(on) 3,6mΩ i maksymalnym napięciem urządzenia 80V. Podczas gdy płytka EPC9167 wykorzystuje pojedyncze tranzystory polowe dla każdej pozycji przełączania, EPC9167HC posiada dwa tranzystory polowe pracujące równolegle, zapewniające maksymalny prąd wyjściowy 42A_pk (30A_RMS). Tranzystor GaN FET w urządzeniu EPC2065 obsługuje częstotliwości przełączania modulacji szerokości impulsu (PWM) do 250kHz w zastosowaniach sterowania silnikami i maksymalnie 500kHz w przetwornicach prądu stałego.

Jeszcze wyższą moc - dochodzącą do 1,5kW - zapewnia płytka przemiennika w zestawie EPC9173KIT. Płytka tworzy gałęzie półmostkowe z dwóch pojedynczych układów scalonych azotkowo-galowego (GaN) sterownika bramek EPC23101ENGRT, które mają tylko jeden zintegrowany tranzystor polowy (FET) zasilania po stronie wysokiej. Płytkę można rozbudowywać jako przetwornicę obniżającą, podwyższającą, układ półmostkowy, pełnomostkowy lub przetwornicę LLC. Zapewnia ona prądy wyjściowe do 50A_pk (35 A_RMS) i pracuje z częstotliwością przełączania modulacji szerokości impulsu (PWM) do 250kHz, przy odpowiednim chłodzeniu.

Uruchomienie stopnia sterownika w ciągu kilku minut

Najszybszym sposobem ewaluacji płytki przemiennika azotkowo-galowego (GaN) EPC9176 - bez konieczności programowania - jest użycie płytki interfejsu kontrolera EPC9147A. Moduł podłączany (PIM) - MA330031-2 - zawiera 16-bitowy cyfrowy procesor sygnałowy (DSP) dsPIC33EP256MC506-I-PT firmy Microchip Technology (ilustracja 5).

Ilustracja 5: karta uniwersalnego interfejsu kontrolera EPC9147A może pomieścić różne moduły podłączane, takie jak MA330031-2 PIM, który jest oparty na 16-bitowym cyfrowym procesorze sygnałowym (DSP) dsPIC33EP256. (Źródło ilustracji: EPC/Microchip Technology)

Aby ułatwić obsługę interfejsu kontrolera cyfrowego procesora sygnałowego (DSP), projektanci mogą skorzystać z pakietu MotorBench Development Suite, do którego muszą dodać:

1. MPLAB X IDE_V5.45 i zalecaną aktualizację
2. wtyczkę Code Configurator (kompilacja specyficzna dla cyfrowych procesorów sygnałowych)
3. wtyczkę motorBench 2.35 (przykłady silników)

Na potrzeby tej dyskusji w przykładzie wykorzystano płytkę azotkowo-galowego (GaN) przemiennika silnika EPC9146, a więc:

4. Zacznijmy od projektu MCLV-2 lub EPC dla zestawu EPC914xKIT o nazwie, „sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X”

Użytkownik może po prostu wybrać przykładowy plik szesnastkowy dla azotkowo-galowej (GaN) płytki EPC9146 przemiennika silnika i wczytać go do cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) dsPIC33EP256MC506 za pomocą adaptera programującego, takiego jak PG164100 firmy Microchip Technology dla mikrokontrolerów 16-bitowych. Podłączonym silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (Teknic_M-3411P-LN-08D) można wtedy sterować ręcznie za pomocą elementów sterujących i działa on w trybie bezczujnikowego sterowania polowo-zorientowanego (FOC).

Jeżeli silnik nie pracuje zadowalająco lub musi być skonfigurowany do innego stanu roboczego, motorBench udostępnia również konfigurowalny plik przykładowy, który musi być skompilowany przed przesłaniem do układu. Elementarnym, ale ważnym parametrem dla azotkowo-galowych (GaN) sterowników silników, omówionym powyżej, jest czas martwy 50ns lub niższy, który bezwzględnie należy sprawdzić przed kompilacją pliku szesnastkowego.

Parametry niestandardowe dla silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC)

W celu utworzenia niestandardowych konfiguracji silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) do bezczujnikowego sterowania polowo-zorientowanego (FOC) za pomocą zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE) MotorBench, użytkownicy mogą zmierzyć specyficzne parametry danego silnika i wprowadzić odpowiednie wartości do pliku konfiguracyjnego. Jako silnik testowy może tu służyć na przykład silnik MOT-I-81542-A firmy ISL Products International. Pobiera on około 361W mocy, pracując z napięciem 24V i z prędkością 6100obr./min.

W pierwszej kolejności należy określić następujące cztery parametry silnika:

• Rezystancja: mierzona na zaciskach cewki stojana za pomocą multimetru
• Indukcyjność: mierzona na zaciskach cewki stojana za pomocą multimetru
• Pary biegunów: aby określić liczbę par biegunów, konstruktor musi zewrzeć dwie fazy, trzecią pozostawić otwartą, a następnie ręcznie policzyć liczbę zatrzaśnięć przy jednym obrocie wału, po czym podzielić wynik przez dwa
• Siła przeciwelektromotoryczna (BEMF): siłę przeciwelektromotoryczną mierzy się na zaciskach cewki stojana za pomocą oscyloskopu. Aby to zrobić, konstruktor musi:
  • Podłączyć sondę do dwóch odprowadzeń fazowych, pozostawiając trzecie otwarte
  • Obracać ręcznie wał silnika i rejestrować reakcję napięciową
  • Zmierzyć napięcie międzyszczytowe A_pp i okres T_half największej półfali sinusoidalnej (ilustracja 6).

Ilustracja 6: siłę przeciwelektromotoryczną (BEMF) ustala się przez pomiar napięcia międzyszczytowego A_pp i czasu T_half największej półfali sinusoidalnej. (Źródło ilustracji: EPC)

Odnosząc się do powyższego przykładu projektu, firma Microchip określiła następujące parametry dla silnika Teknic M-3411P-LN-08D (8,4A_RMS, osiem biegunów, moment obrotowy = 1Nm i moc znamionowa 244W):

• A_pp = 15,836V_pp
• T_half = 13,92ms
• Pary biegunów: pp = 4
• Następnie firma Microchip obliczyła stałą siły przeciwelektromotorycznej (BEMF) (dla 1000obr./min = 1k_rpm), korzystając z równania 1:

Równanie 1

dla omawianego przykładowego silnika

(w aplikacji motorBench użyto wartości 10,2)

• Rezystancja między liniami R_L-L = 800mΩ, minus 100mΩ na przewodach miernika LCR
• W tym przykładzie użyto L_d = L_q = 1mH, pomimo zmierzenia wartości 932µH

Ustalone parametry wprowadzane są w podmenu "Configure/PMSM Motor" (Konfiguruj/Silnik PMSM) środowiska MotorBench. W tym celu konstruktorzy mogą po prostu użyć pliku konfiguracyjnego XML silnika podobnego typu. Parametry można również wprowadzić do nowo utworzonego (pustego) pliku konfiguracyjnego, który można zaimportować za pomocą przycisku „Import motor” (Importuj silnik).

Podsumowanie

Układy scalone sterowników silników oparte na azotku galu (GaN) osiągają wysokie parametry działania w zasilanych bateryjnie napędach z silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC) przy zachowaniu niewielkich rozmiarów i ciężaru. Po zintegrowaniu z obudową silnika są one dobrze chronione, upraszczają projektowanie i instalację urządzenia oraz zmniejszają koszty konserwacji.

Dzięki układom referencyjnym, wstępnie zaprogramowanym cyfrowym procesorom sygnałowym (DSP) opartym na modelach oraz środowisku programistycznemu silnika, konstruktorzy i programiści zastosowań silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) mogą skrócić czas projektowania obwodów i skupić się bardziej na rozwoju zastosowania.