Hur man använder GaN-effektkretsar för överlägsna växelriktare för motorer i mellansegmentet

Kraven på effektivare användning av energikällor, strängare bestämmelser och de tekniska fördelarna med svalare drift talar alla för de senaste initiativen för att minska den effekt som förbrukas av elmotorer. Även om switchningstekniker som t.ex. MOSFET:ar av kisel är vanliga, kan de ofta inte uppfylla de mer krävande prestanda- och effektivitetsmålen i viktiga växelriktartillämpningar.

Konstruktörerna kan istället uppnå dessa mål med galliumnitrid (GaN), en FET-teknik med brett bandgap (WBG) som har förbättrats och utvecklats gällande kostnad, prestanda, tillförlitlighet och användarvänlighet. GaN-enheter är nu allmänt förekommande och har blivit förstahandsvalet för växelriktare med medelhöga effektnivåer.

Artikeln beskriver hur den senaste generationens GaN-baserade FET:ar från Efficient Power Conversion Corporation (EPC) möjliggör högeffektiva växelriktare för motorer. Utvärderingskort presenteras för att göra det lättare för konstruktörer att bekanta sig med GaN-enheternas egenskaper och skynda på konstruktionen.

Vad är en växelriktare?

En växelriktares uppgift är att skapa och reglera den vågform som driver en motor, som ofta är av typen borstlös likström (BLDC). Den styr motorns varvtal och vridmoment för smidig start och stopp, backning och acceleration, bland många andra krav. Den måste även säkerställa att önskad motorprestanda uppnås och bibehålls trots förändringar i belastningen.

Observera att en växelriktare för motorer med variabel frekvensutgång inte får förväxlas med en växelriktare för växelström. Den senare tar likström från en källa, t.ex. ett bilbatteri, och skapar en växelströmsvågform med 120/240 V och fast frekvens, som ungefärligt liknar en sinusvåg och kan användas för att driva enheter för nätström.

Varför överväga GaN?

GaN-enheter har attraktiva egenskaper jämfört med kisel, inklusive högre switchningshastigheter, lägre på-resistans för drain-source (R_DS(ON)) och bättre termisk prestanda. Lägre R_DS(ON) gör att de kan användas i mindre och lättare motorstyrningar och minskar effektförlusterna, vilket sparar energi och kostnader i tillämpningar som elcyklar och drönare. Lägre switchningsförluster leder till effektivare motordrivning som kan förlänga räckvidden i lätta elfordon (EV). Snabbare switchningshastigheter ger ett gensvar från motorn med låg latens, vilket är avgörande i tillämpningar som kräver exakt motorstyrning, som t.ex. för robotteknik. GaN-FET:ar kan även användas för att utveckla mer kraftfulla och effektiva motorstyrningar för gaffeltruckar. GaN-FET:arnas förmåga att hantera högre strömmar gör att de kan användas med större och kraftfullare motorer.

För slutanvändarna är de viktigaste fördelarna minskad storlek och vikt, högre effekttäthet och verkningsgrad samt bättre termisk prestanda.

Komma igång med GaN

Vid konstruktion av alla switchande kraftenheter, särskilt för medelhöga strömmar och spänningar, måste man vara uppmärksam på enhetens minsta detaljer och unika egenskaper. GaN-enheter har två interna konstruktionsalternativ: tömningsläge (d-GaN) och förstärkningsläge (e-GaN). En d-GaN-switch är normalt "på" och kräver en negativ matning; den är mer komplicera att konstruera in i kretsar. Däremot är e-GaN-switchar MOSFET:ar som normalt är "av", vilket ger en enklare kretsarkitektur.

GaN-enheter är till sin natur dubbelriktade och börjar leda när backspänningen över dem överskrider gatens tröskelspänning. Då de inte är konstruerade för att fungera i lavinläge är det dessutom viktigt att ha tillräcklig märkspänning. En märkspänning på 600 V är i allmänhet tillräckligt med busspänningar på upp till 480 V i DC-omvandlingstopologier med buck, boost och brygga.

Även om GaN-switchar är enkla i sin grundläggande på/av-switchningsfunktion är de strömförsörjningsenheter, så konstruktörer måste noga överväga kraven vid tillslag och frånslag, switchningstidpunkt, layout, påverkan av parasitärer, kontroll av strömflöden och strömresistansförluster (IR) på kretskortet.

För många konstruktörer är utvärderingssatser det effektivaste sättet att förstå vad GaN-enheter kan göra och hur de kan användas. Satserna används enskilda eller flera GaN-enheter i olika konfigurationer och effektnivåer. De innehåller även tillhörande passiva komponenter, inklusive kondensatorer, induktorer, motstånd, dioder, temperaturgivare, skyddsenheter och kontaktdon.

Börja med enheter med lägre effekt

Ett utmärkt exempel på en GaN-FET med lägre effekt är EPC2065. Den har en drain-source-spänning (V_DS) på 80 V, en drain-ström (I_D) på 60 A och en R_DS(ON ) på 3,6 mΩ. Den levereras endast i passiverat kretsformat med lödstänger och har måtten 3,5 x 1,95 mm (figur 1).

Figur 1: Gan-FET:en EPC2065 för 80 V, 60 A är en passiv kretsenhet med integrerade lödstänger. (Bildkälla: EPC)

Precis som med andra GaN-enheter ger den längsgående komponentuppbyggnaden och huvudsakliga Shottky-dioden i EPC2065 en exceptionellt låg total gate-laddning (Q_G) och noll återhämtningsladdning (Q_RR). Dessa egenskaper gör att den passar bra i situationer där mycket höga switchningsfrekvenser (upp till flera hundra kilohertz) och låg på-tid är fördelaktigt, liksom i situationer där förluster i på-läge dominerar.

Enheten stöds av två liknande utvärderingssatser: EPC9167KIT för drift med 20 A/500 W, och EPC9167HCKIT för drift med högre effekt på 20 A/1 kW (figur 2). Båda är växelriktarkort för drift av trefas BLDC-motorer.

Figur 2: Här visas undersidan (vänster) och ovansidan (höger) av kortet EPC9167. (Bildkälla: EPC)

Grundkonfigurationen av EPC9167KIT använder en enda FET för respektive switchningsposition och kan ge upp till 15 A_RMS (nominellt värde) och 20 A_RMS (toppvärde) ström per fas. Konfigurationen EPC9167HC med högre strömstyrka använder däremot två parallella FET:ar per switchningsposition och kan ge en utgångsström på upp till 20A_RMS/30 A_RMS (nominell/topp), vilket visar hur relativt enkelt det är att konfigurera GaN FET:ar parallellt för högre utström. Blockdiagram över grundkortet EPC9167 visas i figur 3.

Figur 3: Här visas ett blockdiagram över grundkortet EPC9167 i en tillämpning för drivning av bortslösa likströmsmotorer. EPC9167HC för högre effekt har två EPC2065-enheter parallellt för respektive switch, medan EPC9167 med lägre effekt endast har en FET per switch. (Bildkälla: EPC)

EPC9167KIT innehåller alla nödvändiga kretsar för en komplett motorväxelriktare, inklusive gate-drivkretsar, reglerade hjälpmatning för underhållsmatning, spänningsavkänning, temperaturavkänning, strömavkänning och skyddsfunktioner.

EPC9167 passar ihop med olika kompatibla styrenheter och stöds av olika tillverkare. Den kan snabbt konfigureras som en växelriktare för motordrift eller en DC-DC-omvandlare genom att utnyttja befintliga resurser för snabb utveckling. I den förstnämnda rollen tillhandahåller den DC-DC-omvandling för flera faser med stöd för PWM-switchningsfrekvenser (pulsbreddsmodulering) på upp till 250 kHz i motordrivningstillämpningar; för DC-DC-tillämpningar utan motorer arbetar den med upp till 500 kHz.

Att öka effekten

I andra änden av effektområdet finns EPC2302, en GaN-FET med 100 V/101 A och en R_DS(ON) på endast 1,8 mΩ. Den passar bra för högfrekventa DC/DC-tillämpningar från 40 till 60 V och drivning av BLDC-motorer på 48 V. Till skillnad från EPC2065, som har en passiv krets med lödstänger, är denna GaN-FET inkapslad i en QFN-kapsling med låg induktans med måtten 3 x 5 mm och en exponerad ovansida för överlägsen värmehantering.

Den termiska resistansen för höljets ovansida är lågt, bara 0,2 °C per watt, vilket ger ett utmärkt termiskt beteende och förenklar utmatningar med kylningen. Dess exponerade ovansida förbättrar ovansidans värmehantering, medan de sidovätbara flankerna garanterar att hela ytan av sidolödpunkterna blir belagda med lödtenn vid omsmältningslödning. Detta skyddar kopparn och möjliggör lödning på det yttre flankområdet för enkel optisk inspektion.

Storleken på EPC2302 är mindre än hälften så stor som den bästa MOSFET:en av kisel i klassen med liknande R_DS(on) och märkspänning, medan dess Q_G och Q_GD är betydligt mindre och dess Q_RR är noll. Detta medför lägre switchningsförluster och lägre förluster i gate-drivkretsen. EPC2302 arbetar med en kort dödtid på mindre än 10 ns för högre effektivitet, medan dess W_RR med nollvärde förbättrar tillförlitligheten och minimerar elektromagnetiska störningar (EMI).

Kortet EPC9186KIT för utvärdering av motorstyrning/hantering av driveffekt har stöd för motorer på upp till 5 kW och kan ge upp till 150 A_RMS och en maximal utström på 212 A_PEAK (figur 4).

Figur 4: Här visas undersidan (vänster) och ovansidan (höger) av utvärderingskortet EPC9186KIT 5 kW för EPC2302. (Bildkälla: EPC)

För att uppnå denna högre märkström använder EPC9186KIT fyra parallella GaN-FET:ar per switchningsposition, vilket visar hur enkelt det är att använda denna metod för att uppnå högre strömnivåer. Kortet har stöd för PWM-switchningsfrekvenser på upp till 100 kHz i motordrivningstillämpningar och innehåller alla nödvändiga funktioner i en komplett växelriktare för motordrivning, inklusive gate-drivkretsar, reglerade underhållsmatningar, spännings- och temperaturavkänning, noggrann strömavkänning och skyddsfunktioner.

Sammanfattning

Växelriktare för motorer är den kritiska länken mellan en grundläggande strömkälla och en motor. Att konstruera mindre, högeffektiva växelriktare med högre verkningsgrad blir ett allt viktigare mål. Även om konstruktörer kan välja processteknik för de viktiga effektwitchningsenheter som växelriktarna i mellanklassen använder, är GaN-enheter, som de från EPC, det alternativ som föredras.