Zastosowanie urządzeń zasilających GaN w najlepszych przemiennikach do silników średniej mocy

Dążenie do efektywniejszego wykorzystania źródeł zasilania, surowsze wymogi regulacyjne i korzyści techniczne wynikające z pracy w niższej temperaturze wspierają najnowsze inicjatywy mające na celu zmniejszenie ilości energii zużywanej przez silniki elektryczne. W przypadku krytycznych zastosowań przemienników, technologie przełączania, takie jak tranzystory MOSFET, często nie są w stanie sprostać bardziej wymagającym parametrom działania i sprawności.

Zamiast tego projektanci mogą osiągać wspomniane cele przy użyciu technologii tranzystorów polowych (FET) o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) opartych na azotku galu (GaN), która została udoskonalona i rozwinięta pod względem kosztów, parametrów działania, niezawodności i łatwości użytkowania. Urządzenia oparte na azotku galu (GaN) obecnie dominują na rynku i są preferowanym wyborem dla przemienników o średniej mocy.

Niniejszy artykuł analizuje, w jaki sposób tranzystory FET najnowszej generacji oparte na azotku galu (GaN) firmy Efficient Power Conversion Corporation (EPC) umożliwiają uzyskanie wysokosprawnych przemienników do silników. Przedstawiono płytki ewaluacyjne, które pomogą projektantom zapoznać się z charakterystyką urządzeń GaN i przyspieszą projektowanie.

Czym jest przemiennik?

Rolą przemiennika jest tworzenie i regulowanie przebiegu prądu zasilającego silnik, który jest często bezszczotkowym silnikiem prądu stałego (BLDC). Kontroluje on prędkość i moment obrotowy silnika, zapewniając m.in. płynne uruchamianie i zatrzymywanie, zmianę kierunku obrotów i przyspieszanie. Musi również zapewniać osiągnięcie i utrzymanie pożądanych parametrów działania silnika pomimo zmian obciążenia.

Należy pamiętać, że przemiennik prądu silnika z wyjściem o zmiennej częstotliwości nie powinien być mylony z liniowym przemiennikiem prądu zmiennego. Ten ostatni pobiera prąd stały ze źródła, takiego jak bateria samochodowa, aby zapewnić przebieg prądu zmiennego o stałej częstotliwości 120/240V, który jest zbliżony do fali sinusoidalnej i może być używany do zasilania urządzeń zasilanych z sieci energetycznej.

Dlaczego warto rozważyć urządzenia GaN?

Urządzenia GaN mają atrakcyjne cechy w porównaniu z krzemem, w tym wyższe szybkości przełączania, niższą rezystancję dren-źródło w stanie włączenia (R_DS(ON)) i lepsze parametry termiczne. Niższa rezystancja R_DS(ON) pozwala na ich zastosowanie w mniejszych i lżejszych napędach silnikowych oraz zmniejsza straty mocy, oszczędzając energię i koszty w zastosowaniach takich jak rowery elektryczne i drony. Mniejsze straty przełączania sprawiają, że napędy silnikowe są wydajniejsze i mogą zwiększać zasięg lekkich pojazdów elektrycznych (EV). Wyższe szybkości przełączania pozwalają na reagowanie silnika z niską latencją, co jest niezbędne w zastosowaniach wymagających precyzyjnej kontroli nad silnikiem, takich jak robotyka. Tranzystory GaN FET mogą również służyć do tworzenia mocniejszych i bardziej wydajnych napędów silników wózków widłowych. Tranzystory GaN FET mogą obsługiwać wyższe prądy, co pozwala na ich wykorzystanie z większymi i mocniejszymi silnikami.

W przypadku zastosowań końcowych, najważniejsze korzyści to zmniejszone rozmiary i ciężar, wyższa gęstość mocy i sprawność energetyczna oraz lepsze parametry termiczne.

Pierwsze kroki z technologią GaN

Projektowanie z wykorzystaniem dowolnego urządzenia przełączającego zasilanie, zwłaszcza dla średnich prądów i napięć, wymaga zwracania uwagi na najdrobniejsze szczegóły urządzenia i jego specyficzne cechy. Urządzenia oparte na azotku galu (GaN) mają dwie opcje struktury wewnętrznej: obszar zubożenia (d-GaN) i obszar wzbogacenia (e-GaN). Przełącznik d-GaN jest zwykle „włączony” i wymaga zasilania ujemnego, co zwiększa poziom skomplikowania w projektowaniu obwodów. Natomiast przełączniki e-GaN to układy MOSFET, które są normalnie „wyłączone”, co skutkuje prostszą architekturą obwodu.

Urządzenia GaN są z natury dwukierunkowe i zaczynają przewodzić, gdy napięcie wsteczne na nich przekroczy napięcie progowe bramki. Ponadto, ponieważ z założenia nie są one zdolne do pracy w trybie lawinowym, krytyczne znaczenie ma wystarczające napięcie znamionowe. Wartość znamionowa 600V jest zasadniczo odpowiednia przy napięciu szyny do 480V w przypadku topologii obniżającej, podwyższającej i mostka prądu stałego.

Choć przełączniki oparte na azotku galu (GaN) są proste w swojej podstawowej funkcji włączania i wyłączania, są urządzeniami mocy, więc projektanci muszą dokładnie rozważyć wymagania dotyczące włączania i wyłączania, czasu przełączania, układu wpływu zjawisk pasożytniczych, sterowania przepływami prądu i spadków napięcia prądu spowodowanych przepływem prądu przez rezystancję na płytce drukowanej.

Dla wielu projektantów używanie zestawów ewaluacyjnych jest najlepszym sposobem na zrozumienie możliwości urządzeń GaN i sposobu ich wykorzystania. Zestawy te wykorzystują pojedyncze i zwielokrotnione urządzenia GaN w różnych konfiguracjach i poziomach mocy. Zawierają one również powiązane komponenty pasywne, w tym kondensatory, cewki indukcyjne, rezystory, diody, czujniki temperatury, urządzenia zabezpieczające i złącza.

Zacznijmy od urządzeń niższej mocy

Doskonałym przykładem tranzystora GaN FET niższej mocy jest EPC2065. Jego napięcie dren-źródło (V_DS) wynosi 80V, prąd drenu (I_D) 60A, a rezystancja R_DS(ON) wynosi 3,6mΩ. Jest on dostarczany wyłącznie w formie pasywowanej struktury z paskami do lutowania i ma wymiary 3,5 × 1,95mm (ilustracja 1).

Ilustracja 1: tranzystor GaN FET 80V 60A EPC2065 jest urządzeniem o pasywnej strukturze ze zintegrowanymi paskami do lutowania. (Źródło ilustracji: EPC)

Podobnie jak w przypadku innych urządzeń GaN, poprzeczna struktura urządzenia EPC2065 i dioda nośników większościowych zapewniają wyjątkowo niski całkowity ładunek bramki (Q_G) i zerowy ładunek regeneracji wstecznej (Q_RR). Te cechy sprawiają, że jest to dobre rozwiązanie w sytuacjach, gdzie korzystne są bardzo wysokie częstotliwości przełączania (do kilkuset kiloherców) i niski czas włączania, oraz w przypadkach, gdzie dominują straty w stanie włączenia.

Z omawianym urządzeniem skojarzone są dwa podobne zestawy ewaluacyjne: EPC9167KIT do pracy z prądem 20A/500W oraz EPC9167HCKIT wyższej mocy do pracy z prądem 20A/1kW (ilustracja 2). Obie są trójfazowymi płytkami przemiennika napędu silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC).

Ilustracja 2: dolna (po lewej) i górna (po prawej) strona płytki EPC9167. (Źródło ilustracji: EPC)

Podstawowa konfiguracja urządzenia EPC9167KIT wykorzystuje pojedynczy tranzystor polowy (FET) dla każdej pozycji przełączania i może dostarczyć do 15A_RMS (wartość nominalna) i 20A_RMS (wartość szczytowa) prądu na fazę. Natomiast wysokoprądowa konfiguracja EPC9167HC wykorzystuje dwa równoległe tranzystory FET na każdą pozycję przełącznika i może dostarczać maksymalny prąd wyjściowy do 20A_RMS/30A_RMS (nominalny/szczytowy), demonstrując względną łatwość, z jaką tranzystory GaN FET mogą być konfigurowane równolegle celem uzyskania wyższego prądu wyjściowego. Schemat blokowy płytki bazowej EPC9167 przedstawiono na ilustracji 3.

Ilustracja 3: diagram przedstawiający schemat blokowy płytki bazowej EPC9167, zastosowanej w napędzie bezszczotkowego silnika prądu stałego (BLDC); EPC9167HC wyższej mocy zawiera dwa równoległe urządzenia EPC2065 dla każdego przełącznika, podczas gdy EPC9167 niższej mocy posiada tylko jeden tranzystor FET na przełącznik. (Źródło ilustracji: EPC)

Zestaw EPC9167KIT zawiera wszystkie krytyczne obwody do obsługi kompletnego przemiennikowego napędu silnika, w tym sterowniki bramek, regulowane szyny zasilania pomocniczego, czujnik napięcia, czujnik temperatury, czujnik prądu i funkcje zabezpieczeń.

EPC9167 współpracuje z różnymi kompatybilnymi kontrolerami i jest wspierany przez różnych producentów. Można go szybko skonfigurować jako przemiennik napędu silnikowego lub przetwornicę prądu stałego, wykorzystując dostępne zasoby do szybkiego opracowania. W tej pierwszej roli zapewnia wielofazową konwersję prądu stałego obsługującą częstotliwości modulacji szerokości impulsu (PWM) do 250kHz w zastosowaniach związanych z napędami silników; w zastosowaniach prądu stałego niezwiązanych z silnikami działa do 500kHz.

Przejście na wyższą moc

Na drugim końcu zakresu obsługiwanych mocy znajduje się tranzystor GaN EPC2302 o wartościach znamionowych 100V/101A i zaledwie 1,8mΩ rezystancji R_DS(ON). Doskonale sprawdza się w wysokoczęstotliwościowych zastosowaniach konwersji prądu stałego od 40 do 60V oraz w napędach z silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC) 48V. W przeciwieństwie do obudów z pasywowaną strukturą z paskami lutowniczymi, stosowanych w urządzeniach EPC2065, omawiany tranzystor GaN FET jest umieszczony w obudowie QFN o niskiej indukcyjności i wymiarach 3 × 5mm z odsłoniętą górną częścią w celu optymalnego odprowadzania ciepła.

Opór cieplny dla górnej części obudowy jest niski i wynosi zaledwie 0,2°C/W, co przekłada się na doskonałe zachowanie termiczne i ułatwia chłodzenie. Odsłonięta górna część poprawia odprowadzanie ciepła, podczas gdy zwilżane boki gwarantują, że cała powierzchnia boczna jest zwilżana lutowiem podczas procesu lutowania rozpływowego. Chroni to miedź i umożliwia łatwą inspekcję optyczną lutowania na tym zewnętrznym obszarze bocznym.

Powierzchnia zajmowana przez urządzenie EPC2302 jest mniejsza niż połowa rozmiaru najlepszego w swojej klasie krzemowego tranzystora MOSFET o podobnej rezystancji R_DS(on) i napięciu znamionowym, podczas gdy jego ładunki Q_G i Q_GD są znacznie mniejsze, a ładunek Q_RR wynosi zero. Skutkuje to niższymi stratami przełączania i mniejszymi stratami sterownika bramki. Urządzenie EPC2302 charakteryzuje się krótkim czasem martwym poniżej 10ns w celu zapewnienia wyższej sprawności, a zerowa wartość ładunku Q_RR zwiększa niezawodność i minimalizuje zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).

Aby umożliwić sprawdzenie działania urządzenia EPC2302, dostępna jest płytka ewaluacyjna zarządzania mocą kontrolera/napędu silnika EPC9186KIT, która obsługuje silniki o mocy do 5kW i może dostarczyć do 150A_RMS i 212A_PEAK maksymalnego prądu wyjściowego (ilustracja 4).

Ilustracja 4: górna (po lewej) i dolna (po prawej) strona płytki ewaluacyjnej EPC9186KIT 5kW dla urządzenia EPC2302. (Źródło ilustracji: EPC)

W celu uzyskania wyższych prądów znamionowych, zestaw EPC9186KIT wykorzystuje cztery równoległe tranzystory GaN FET na każdą pozycję przełącznika, demonstrując łatwość wykorzystania tego podejścia do osiągnięcia wyższych poziomów prądu. Płytka obsługuje modulację szerokości impulsów (PWM) do 100kHz w zastosowaniach napędów silnikowych i zawiera wszystkie krytyczne funkcje do obsługi kompletnego przemiennika napędu silnikowego, w tym sterowniki bramek, regulowane zasilacze pomocnicze, pomiar napięcia i temperatury, dokładny pomiar prądu i funkcje zabezpieczeń.

Podsumowanie

Przemienniki do silników są krytycznym łącznikiem pomiędzy podstawowym źródłem zasilania a silnikiem. Projektowanie mniejszych, wysokosprawnych przemienników o wyższych parametrach działania staje się coraz ważniejsze. Chociaż projektanci mają wybór w dziedzinie technologii procesowej dla krytycznych urządzeń przełączających moc, używanych w przemiennikach średniej klasy, preferowaną opcją są urządzenia oparte na azotku galu (GaN), dostępne w firmie EPC.