Hur man integrerar GaN-effektsteg för effektiva batteridrivna BLDC-motordrivsystem

Batteridrivna tillämpningar som samarbetsrobotar (cobots), elcyklar, industriella drönare och elverktyg kräver lätta och kraftfulla elmotorer med litet format. Borstlösa DC-motorer (BLDC) är ett bra alternativ, men elektroniken för motordriften är ganska komplicerad och kräver många överväganden vid konstruktionen. Konstruktören måste reglera vridmoment, hastighet och position noggrant och samtidigt garantera hög precision med minimal vibration, buller och elektromagnetisk strålning (EMR). Dessutom måste skrymmande kylflänsar och externa kablage undvikas för att spara vikt, utrymme och kostnader.

Som så ofta är fallet blir utmaningen för konstruktörerna att balansera kraven för konstruktionen med tids- och budgetpressen - samtidigt som man undviker kostsamma utvecklingsfel. Ett sätt att göra detta är att dra nytta av snabb halvledarteknik med låg förlust, t.ex. galliumnitrid (GaN), för de effektsteg som krävs för att driva BLDC-motorerna.

Artikeln diskuterar de relativa fördelarna med GaN-baserade effektsteg och presnterar ett exempel på en enhet från EPC, implementerad i en topologi med halvbrygga. Den förklarar hur man använder tillhörande utvecklingssatser för att snabbt komma igång med ett projekt. Under processen kommer konstruktörerna att lära sig att mäta parametrarna för en BLDC-motor och använda den i sensorlös fältorienteringsstyrning (FOC) med minimal programmering med hjälp av Microchip Technologys motorBench Development Suite.

Fördelarna med GaN

För att styra en BLDC-motor i batteritillämpningar på ett effektivt sätt, behöver utvecklarna ett effektivt, lätt drivsteg med litet format som kan implementeras så nära ställdonet som möjligt. Exempel, inuti motorhuset.

Bipolära transistorer med isolerad grind (IGBT) är robusta och kan switcha höga effekter på upp till 100 MW vid max. 200 kHz, men är inte lämpliga för apparater som måste hantera batteriladdning vid spänningar på upp till 80 V. Den höga kontaktresistansen, återgångsdioden och switchningsförlusterna samt strömmen vid avstängning leder tillsammans till signaldistorsion, överdriven värmeutveckling och störande utstrålning.

MOSFET:ar (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) switchar snabbare och har lägre switchningsförluster och resistansförluster jämfört med IGBT:er, men deras grindkapacitans kräver en kraftfull grinddrivkrets för att fungera vid höga switchningsfrekvenser. Att kunna arbeta vid höga frekvenser är viktigt eftersom det innebär att konstruktörerna kan använda mindre elektroniska komponenter för att minska det totala utrymmesbehovet.

När det gäller GaN-transistorer med hög elektronrörlighet (HEMT) kan de tack vare sin höga bärarrörlighet bygga upp och bryta ner halvledarförbindelser extremt snabbt och med låga förluster. En integrerad GaN-drivkrets, som t.ex EPC23102ENGRT från EPC, har exceptionellt låga switchningsförluster och höga switchningsfrekvenser, vilket gör det möjligt att konstruera kompakta enheter i mycket trånga utrymmen. Den monolitiska kretsen innehåller ett logiskt gränssnitt för ingångslogik med nivåskiftare, bootstrap-laddning och grinddrivkretsar som styr utgångs-FET:arna av GaN i en topologi med halvbrygga (figur 1). Kretsens kapsling är optimerad för hög värmeavledning och låg parasitär induktans.

Figur 1: EPC23102 innehåller styrlogik, nivåskiftare, grinddrivkretsar och utgångs-FET:ar av GaN i en topologi med halvbrygga (vänster). Kretsens kapsling (till höger) är optimerad för hög värmeavledning och låg parasitär induktans. (Bildkälla: EPC)

Mindre spillvärme och lägre EMR

Utgångstransistorerna på EPC23102 har en typisk på-resistans för drain-source (R_DS(on)) på 5,2 mΩ (vid 25 °C). De tål spänningar på upp till 100 V och strömmar upp till högst 35 A. Den längsgående strukturen hos GaN-enheten och avsaknaden av en inneboende diod ger exceptionellt låg grindladdning (Q_G) och omvänd återhämtningsladdning (W_RR).

Jämfört med en MOSFET-enhet med liknande R_DS(on) uppnår GaN-drivkretsen upp till fem gånger lägre switchningsförluster. Detta gör det möjligt för en GaN-baserad växelriktare att arbeta vid relativt höga PWM-frekvenser (pulsbreddsmodulering) - upp till 3 MHz - och med kortare dödtid (lägre än 50ns).

Höga switchningshastigheter (dV/dt) och den låga temperaturkoefficienten hos GaN-halvledare i en kapsling med reducerad parasitinduktans minimerar signaldistorsionen och därmed EMR- och switchningsförlusterna. Detta minskar behovet av filtreringsstrategier, samtidigt som de mindre billiga kondensatorerna och induktorerna sparar plats på kretskortet.

Tillsammans med den låga kontaktresistansen R_DS(on), gör GaN-enhetens andra fördelar, såsom den höga värmeledningsförmågan hos GaN-substratet och den stora värmekontaktytan i komponentens kapsling, det möjligt för GaN-effektsteget att switcha strömmar på upp till 15 A utan kylfläns (figur 2).

Figur 2: Temperaturökning i förhållande till fasström för ett GaN-effektsteg med en omgivningstemperatur på 25,5 °C vid olika PWM-frekvenser. (Bildkälla: EPC)

EPC23102 har även robusta nivåomvandlare från sekundär- till primärkanalerna som är konstruerade för att fungera vid mjuka och hårda switchningsförhållanden - även vid stora negativa terminalspänningar - och för att undvika falsk utlösning av snabba dV/dt-transienter, inklusive sådana som kommer från externa källor eller intilliggande faser. Inbyggda kretsar integrerar funktioner för logik och laddning och avstängning av bootstrap-strömmen. Skyddsfunktioner förhindrar oönskat tillslag av utgångs-FET:ar när matningsspänningarna är för låga eller till och med inte finns.

En utvärderingssats för motorväxelriktare som är redo att använda

Det enklaste och snabbaste sättet att driftsätta en trefas BLDC-motor med GaN-teknik är att använda utvärderingssatsen EPC9176KIT för motorväxelriktare från EPC. Den består av motorväxelriktarkortet EPC9176 och ett DSP-styrkort. En enkel EPC9147E-adapter för styrning via en kundspecifik värdstyrenhet ingår också. Kopplingskontakten överför följande signaler: 3 x PWM, 2 x kodare, 3 x U_phase, 3 x I_phase, _UDC,_IDC och 2 × status-LED.

Som referensdesign underlättar motorväxelriktarkortet EPC9176 den interna kretskonstruktionen, medan styrkortet EPC9147A, när det används tillsammans med utvecklingsmiljön motorBench från Microchip Technology, gör det möjligt för användarna att snabbt komma igång utan att behöva ägna tid åt kodning eller programmering.

Den trefasiga växelriktaren för BLDC-motorn integrerar tre EPC23102 GaN halvbryggedrivare för att styra AC- eller DC-motorer och DC/DC-strömomvandlare. Med en R_DS(on) på högst 6,6 mΩ orsakar effektsteget liten värmeförlust vid belastningsströmmar på upp till 28 A_pk eller 20 A_RMS i konstant drift vid switchningsspänningar på upp till 100 V. EPC23102 är konfigurerad för flerfasig DC/DC-omvandling och har stöd för PWM-switchningsfrekvenser på upp till 500 kHz och upp till 250 kHz i tillämpningar för motordrivning.

Motorväxelriktarkortet EPC9176 8,1 x 7,5 cm innehåller alla viktiga funktionskretsar som krävs för att stödja en komplett motorväxelriktare, inklusive kondensatorer för DC-bussen, grinddrivkretsar, reglerade extra spänningar, fasspänning, fasström och temperaturmätning, tillsammans med skyddsfunktioner och valfria harmoniska filter eller EMR-filter för respektive fas (figur 3).

Figur 3: Motorväxelriktaren EPC9176 innehåller kondensatorer för DC-bussen, grinddrivkretsar, en spänningsregulator, spänningsmätning, ström- och temperaturskyddsfunktioner samt EMR-filter. (Bildkälla: EPC)

Den trefasiga GaN-växelriktaren arbetar med inspänningar från 14 till 65 V_DC. Den switchar utan översteg, vilket ger ett jämnt vridmoment och minimalt buller vid körning. Kortet är optimerat för en typisk GaN-switchningsflank med hög hastighet på mindre än 10 V/ns och kan som tillval minskas för att driva en DC/DC-omvandlare. Dessutom kan två sensorer för rotorns läge (Hall-sensorer) som arbetar med olika spänningsnivåer anslutas.

Vibrationsfritt vridmoment och låg ljudnivå

Ett exempel på implementering av en trefasig BLDC-motor visar hur parametrering av dödtid påverkar motorns jämna gång och därmed bullergenerering. Låsningstiden vid switchningsövergången mellan primär- och sekundärsidans FET i en halvbrygga baserad på GaN FET:ar kan väljas till att vara mycket liten eftersom GaN HEMT:arna reagerar extremt snabbt och inte ger upphov till parasitära överstegringar, vilket är fallet med de långsammare MOSFET:arna.

Figur 4 (vänster) visar en GaN-växelriktare som arbetar med en typisk dödtid för MOSFET:ar på 500 ns vid en PWM-frekvens på 40 kHz. Det som borde vara en jämn sinusformad fasström uppvisar extremt hög distorsion, vilket resulterar i högt vridmomentsrippel och motsvarande oljud. I figur 4 (till höger) reducerades dödtiden till 50 ns, vilket gav en sinusformad fasström för en motor med jämn gång och väldigt lite oljud.

Figur 4: En dödtid på 500 ns vid en PWM-frekvens på 40 kHz (vänster), typisk för MOSFET:ar, orsakar hög distorsion i fasströmmen som resulterar i högt vridmomentrippel och och höga ljudnivåer. Med en dödtid på 50 ns (till höger) etableras en sinusformad fasström så att motorn roterar mjukt och med låg ljudnivå. (Bildkälla: EPC)

Mindre rippel i fasströmmen innebär även lägre magnetiseringsförluster i statorspolarna, medan mindre rippel i fasspänningen ger högre upplösning och mer exakt styrning av vridmoment och hastighet, särskilt för motorer med låg induktans som används i mindre konstruktioner.

För tillämpningar med motordrift som kräver mer effekt finns två GaN-växelriktarkort: EPC9167HCKIT (1 kW) och EPC9167KIT (500 watt). Båda använder EPC2065 GaN FET, som har en maximal R_DS(on) på 3,6 mΩ och en maximal enhetsspänning på 80 V. Medan kretskortet EPC9167 använder en enda FET för respektive switchningsläge har EPC9167HC två FET:ar som arbetar parallellt, vilket ger en maximal utström på 42 A_pk (30 A_RMS). GaN-FET:en EPC2065 GaN har stöd för PWM-switchningsfrekvenser på upp till 250 kHz i motorstyrningstillämpningar och högst 500 kHz i DC/DC-omvandlare.

Ännu högre effekt - upp till 1,5 kW - tillhandahålls av växelriktarkortet i EPC9173KIT. Kortet bildar delade halvbryggor av två enkla EPC23101ENGRT GaN-styrkretsar som endast har en integrerad effekt-FET på primärsidan. Kortet kan byggas ut som en buck-, boost-, halvbrygge-, fullbrygge- eller LLC-omvandlare. Den levererar utströmmar på upp till 50 A_pk (35 A_RMS) och arbetar med PWM-switchningsfrekvenser på upp till 250 kHz, med lämplig kylning.

Få igång drivsteget på några minuter

Det snabbaste sättet att utvärdera växelriktarkortet EPC9176 GaN - utan att behöva koda - är att använda gränssnittskortet EPC9147A för styrning. En insticksmodul (PIM) - MA330031-2 - innehåller dsPIC33EP256MC506-I-PT 16-bitars DSP från Microchip Technology (figur 5).

Figur 5: Det universella gränssnittskortet för styrning EPC9147A har plats för olika insticksmoduler, t.ex. MA330031-2 PIM, som är baserad på en 16-bitars dsPIC33EP256 DSP. (Bildkälla: EPC/Microchip Technology)

För att underlätta driften av DSP-styrenhetens gränssnitt kan konstruktörerna använda motorBench Development Suite, till vilken de måste lägga till:

1. MPLAB X IDE_V5.45 och den rekommenderade uppdateringen
2. Insticksprogram för Code Configurator (DSP-specifik kompilering)
3. motorBench-insticksprogram 2.35 (motorexempel)

I den här diskussionen använder exemplet GaN motorväxelriktarkortet EPC9146, så:

4. Börja med ett MCLV-2- eller EPC-projekt för EPC914xKIT med namnet "sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X".

Användaren kan som exempel, välja hexfilen för GaN-motorväxelriktarkortet EPC9146 och flasha den i DSP dsPIC33EP256MC506 med hjälp av en programmeringsadapter, t.ex. PG164100 för 16-bitars microcontrollers från Microchip Technology. Den anslutna BLDC-motorn (Teknic_M-3411P-LN-08D) kan sedan styras manuellt via kontrollerna och fungerar i sensorlöst FOC-läge.

Om motorn inte fungerar tillfredsställande eller om den behöver konfigureras för ett annat drifttillstånd tillhandahåller motorBench även en konfigurerbar exempelfil som måste kompileras före flashning. En elementär men viktig parameter för GaN-motordrivkretsar, som diskuterats ovan, är en dödtid på 50 ns eller mindre, vilket absolut måste kontrolleras innan hex-filen kompileras.

Anpassade parametrar för en BLDC-motor

För att konfigurera anpassade konfigurationer för BLDC-motorer för sensorlös FOC-drift med hjälp av motorBench IDE kan användarna mäta sina specifika motorparametrar och ange de relevanta värdena i en konfigurationsfil. Motorn MOT-I-81542-A från ISL Products International kan exempelvis, användas som testmotor. Den förbrukar cirka 361 W vid drift med 24 V och 6100 varv/min.

Dessa fyra motorparametrar måste först fastställas:

• Ohmsk resistans: Denna mäts mellan statorspolens anslutningar med hjälp av en multimeter.
• Induktans: Mäts mellan statorspolens anslutningar med hjälp av en multimeter.
• Polpar: För att bestämma polparen måste konstruktören kortsluta två faser, lämna den tredje öppen och sedan räkna antalet låsningar vid ett axelvarv för hand och sedan dividera resultatet med två.
• Motelektromotorisk kraft (BEMF): BEMF mäts mellan statorspolens anslutningar med hjälp av ett oscilloskop. För att göra detta måste konstruktören:
  • Klämma fast sonden på två fasledningar och låta den tredje vara öppen.
  • Rotera motoraxeln för hand och registrera spänningssvaret.
  • Mät spänningen från topp-till-topp A_pp och perioden T_half för den största sinusformade halvvågen (figur 6).

Figur 6: BEMF bestäms genom att mäta spänningen från topp-till-topp A_pp och perioden T_half för den största sinusformade halvvågen. (Bildkälla: EPC)

Med hänvisning till ovanstående projektexempel fastställde Microchip följande parametrar för motorn Teknic M-3411P-LN-08D (8,4 A_RMS, åtta poler, vridmoment = 1 Nm och en effekt på 244 W):

• A_pp = 15,836 V_pp
• T_half = 13,92 ms
• Polpar: pp = 4
• Microchip beräknade sedan BEMF-konstanten (för 1000 rpm = 1 k_krpm) med hjälp av ekvation 1:

Ekvation 1

för motorn i detta exempel

(ett värde på 10,2 användes för motorBench).

• R_L-L = 800 mΩ linje-till-linje resistans, minus 100 mΩ på grund av LCR-mätarens ledningar.
• L_d = L_q = 1 mH används i detta exempel, trots att den mäter 932 µH.

De fastställda parametrarna läggs in i undermenyn Konfigurera/PMSM-motor i motorBench. För att göra detta kan konstruktörerna helt enkelt använda XML-konfigurationsfilen för en liknande motortyp. Eller, så kan parametrarna anges i en nyskapad (tom) konfigurationsfil som kan importeras via knappen "Importera motor".

Sammanfattning

GaN-motordrivkretsar uppnår högeffektiv prestanda i batteridrivna BLDC-motordrivare med liten formfaktor och låg vikt. De är integrerade i motorhuset, är väl skyddade, förenklar konstruktion och installation av enheten och minskar underhållet.

Med hjälp av referenskretsar, förprogrammerade modellbaserade DSP-styrenheter och en motorutvecklingsmiljö kan konstruktörer och programmerare av BLDC-motorer förkorta tiden för kretsdesign och fokusera mer på utveckling av tillämpningar.