Optimering av effektregulatorer för industriell motorstyrning med modulerna GMR10Dx för förspänningslösningar för flera faser

Artikeln tar upp de konstruktionsutmaningar och viktiga överväganden som är förknippade med utvecklingen av en tillförlitlig och säker effektregulator för flera faser. Den utnyttjar den isolerade DC/DC-omvandlarmodulen GMR10Dx med variabla utspänningar i kombination med två högintegrerade effektmoduler med switchande gatedrivkretsar och stort bandgap från Ganmar Technologies. Konstruktionen och utformningen av modulerna är optimerad för att uppfylla systemkraven på tillförlitlighet, säkerhet, elektromagnetiska störningar (EMI) och termisk hantering.

Ett illustrativt exempel för ett system presenteras, där en AC-inspänning med tre faser driver ett steg med effektfaktorkorrigering (PFC), följt av en hög belastning som styrs av en pulsbreddsmodulering (PWM) som t.ex. en industrimotor. Konstruktionen fokuserar särskilt på att driva GaN-switchar för hög spänning från Infineon (tidigare GaN Systems), vilket skapar en praktisk kretslösning. Begränsningar i traditionella metoder för att styra halvbryggor (HB) för switchar med totempålekonstruktion tas upp samt alternativa lösningar för att styra både övre och nedre switchar utforskas. Praktiska kretskonstruktioner presenteras för att säkerställa tillförlitlig och säker drift samtidigt som utrymmesbehovet minskas. Dessutom omfattar detta strömavkänning med låga förluster och hög bandbredd för att ytterligare förenkla konstruktionsprocessen.

Dagens konstruktionsmiljöer innebär många utmaningar, bland annat behovet av liten hårdvara, minskad strömförbrukning för effektiv kylning, ökad tillförlitlighet med optimerad termisk hantering och prisvärda lösningar. Detta försvåras ytterligare av snäva budgetar och kortare utvecklingstider. För att hantera utmaningarna visar artikeln standardiserade delsystem och byggstenar som hjälper konstruktionsteamen att dra nytta av expertisen och efterlevnaden hos delsystemens leverantörer.

Genom att använda effektomvandlare och gränssnittsmoduler från Ganmar Technologies förevisar artikeln en optimal lösning för konstruktionsutmaningarna. De medföljande modulerna möjliggör effektiv utveckling av system för grinddrivning med flera faser, samtidigt som deras standardiserade format sparar värdefull yta på huvudkretskortet.

Utformning av en effektregulator med förspänning i ett system för hög spänning med tre faser och hög effekt med hjälp av GMR10Dx

I detta avsnitt beskrivs de nödvändiga överväganden som krävs för att konstruera en effektregulator med förspänning i ett system med hög spänning och hög effekt med hjälp av DC/DC-omvandlingsmodulen GMR10Dx, i kombination med den variabla förspänning för grinddrivning som tillhandahålls av modulerna GMR04B00x. Som visas i figur 1a kan systemet innehålla en hög last som styrs av en pulsbreddsmodulering, som t.ex. en industrimotor, och innehåller flera switchar som kräver flera förspänningar för olika funktionsblock. Nedan följer viktiga antaganden för konstruktionen:

• Hänsyn till elektromagnetiska störningar: Systemet kräver en effektfaktor som är nära noll, vilket innebär att en effektfaktorkorrigering måste användas.
• Startlogik: Effektfaktorkorrigeringen innehåller en processor, vilket kräver en oberoende startlogik för förspänningsomvandlarna.
• Effektförlust: Att minska effektförlusten i styrelektroniken är avgörande för tillförlitligheten och för att förenkla kraven på kylsystem.
• Användning av produkter som finns i lager: Konstruktionen maximerar användningen av lättillgängliga komponenter.

I figur 1a visas en övergripande systemkonfiguration för visuell referens i efterföljande konstruktionsdiskussioner.

Figur 1a: Förspänning och start i ett industriellt styrsystem med hög belastning. (Bildkälla: Ganmar Technologies)

Med hänvisning till blockdiagrammet i figur 1a kommer detta avsnitt att fokusera på utformningen av effektstyrenheten för förspänning och integrationen med det övergripande systemet. Konstruktionsalternativ kommer att undersökas för varje funktion, med undantag för styrenheterna för effektfaktorkorrigering och pulsbreddsmodulering, eftersom det krävs mer specifik information om kraven på systemgränssnitt för att dessa funktioner ska kunna hanteras på ett korrekt sätt. Således kommer denna artikel inte att behandla dessa komponenter i detalj. Det förutsätts att systemet använder GaN-switchar för hög spänning, som t.ex. GS66516T från Infineon, även om alternativa switchningsteknologier, som t.ex. SiC- eller bipolära switchar, även kommer att diskuteras.

Utöver det kommer artikeln att visa upp de högintegrerade, självförsörjande modulerna med variabla grinddrivkretsar från Ganmar Technologies, och i synnerhet GMR04B00x. "x" i modellnamnet anger olika alternativ för dubbla grinddrivkretsar. Se databladet för GMR04B00x för detaljerade specifikationer och alternativ.

Effektstyrenhet för förspänning

Effektstyrenheten för förspänning är konstruerad för att skydda mot strömavbrott vid låga växelspänningar (UVLO) och ger en ospärrad avstängning om växelspänningarna överskrider det maximala inställda gränsvärdet (OVLO). När AC-inspänningen ligger inom säkra driftvärden genererar modulen GRM10Dx isolerade DC-utspänningar på vanliga nivåer, vanligtvis 6 och 22 V. I större system kan det krävas ytterligare spänningsalternativ. Figur 1b visar en typisk konfiguration för att erhålla dessa spänningar. En lågspänningsutgång på 5 V används för att strömförsörja drivkretsen med dubbla grindar i modulen GMR04B00x, närmare bestämt ADUM7223 från Analog Devices. Se databladet för GMR04B00x för andra tillgängliga alternativ.

Bild 1b: Typiska kretsar som härrör från GMR10Dx. (Bildkälla: Ganmar Technologies)

Modulen GMR04B00x strömförsörjer sin variabla sida internt för att skapa två förspänningar på 12 V. Primärsidans 12 V (12VH) förspänner VIA-utgångsdrivkretsen för den övre effektswitchen, med grinddrivningsnivån på +5,6/-5,6 V i förhållande till noden för HBU. Liknande konfigurationer med delad drivning används runt faskretsarna för V och W.

I sekundärsidans switch genereras en separat 12VL internt av modulen GMR04B00x, som kan refereras till sekundärsidans nod för effektretur med valfri polaritet. VIB-utgången för ADUM7223 delas exempelvis upp i +5,6 V/-5,6 V av delningsnätverket, vilket säkerställer att den nedre GaN-switchen fungerar korrekt.

För SiC-switchar finns en annan version av modulen GMR04B00x som ger 15, 18 eller 22 V, och kan fabriksinställas för att passa olika SiC-switchar med hög effekt. Utgångarna från delningskretsen ger ± variabel förspänning för att driva switchar av kiselkarbid på både primär- och sekundärsidan i förhållande till de övre HBU/V/W-noderna, på samma sätt för som för nedre noder av valfri polaritet. Se databladet för GMR04B00x för tillgängliga alternativ.

Sektionen med effektstyrenheten för förspänning, tillsammans med de illustrerade LDO:erna i figur 1b, driver de andra två gränssnittsmodulerna GRM04B00x som är direkt anslutna till grindarna vid V- och W-noderna. Dessutom kan utgången för 22 V driva analoga styrenheter, digitala sektioner och I/O-kretsar på användarens kretskort via LDO:er. För högre effektbehov kan användare konsultera tillämpningsanvisningen för vägledning avseende parallellkoppling av modulerna GMR10Dx.

Problem i samband med start

Det är viktigt att tillhandahålla en stabil strömkälla för digitala processorer innan börjar arbeta. Det kräver att styrenheten för förspänningen drivs från en strömkälla som är oberoende av effektfaktorkorrigeringen. Effektomvandlaren från Ganmar förbrukar upp till 18 W från växelströmskällan, vilket påverkar fasförhållandena för växelströmsingången minimalt. Modulen GMR10DX stödjer ett inspänningsområde på mellan 100 V_DC och 320 V_DC, vilket räcker till för det typiska området för tillämpningar off-line.

Kontakta Ganmars tekniska support för andra alternativ i serien GMR10Dx vid högre källspänningar som ofta förekommer i tillämpningar med hög effekt, där likriktare kan producera upp till 380 V.

Figur 2 visar en typisk likriktarbrygga med sex dioder som är lämplig vid start av system med denna modul. När AC-inspänningen överstiger ca 42 V_RMS (60 eller 400 Hz), vilket medför en utspänning på 200 V_DC från bryggan med en liten kondensator på 10 µF, börjar modulerna producera utspänningar med en maximal fördröjning på 70 ms vid låg belastning. Fördröjningen kan accepteras eftersom inga andra systemblock förbrukar någon ström vid starten.

Om AC-inspänningen, vid transienta händelser, medför att utspänningen från likriktarbryggan med sex dioder överskrider omvandlarmodulens säkra driftområde, kommer modulen att stängas av tills den likriktade spänningen återgår till en säker nivå. Det finns dessutom ett underspänningsskydd som aktiveras om den likriktade spänningen sjunker under 100 V.

Figur 2: Förbrukning på maximalt 18 W direkt för start och förspänning. (Bildkälla: Ganmar Technologies)

Inspänningsfiltrering

Switchande effektmoduler, som t.ex. GRM10Dx, har en "negativ" impedanskarakteristik jämfört med sina ingående strömkällor. Egenskapen kräver noggrann konstruktion av filter för att säkerställa stabilitet vid gränssnittet. Detaljerad konstruktion av inspänningsfilter behandlas utförligt i olika rapporter och publikationer, men här ges en kort översikt över ingångskarakteristiken för modulen GRM10Dx.

För en typisk konstant effektbelastning på 15 W till följd av av GaN-drivning, med en likriktad spänning på 200 V och en verkningsgrad på 0,85, beräknas den ekvivalenta impedansen som |200²/(15/η)|, vilket resulterar i cirka 3,14 kΩ. Impedansen är relativt hög jämfört med källimpedansen, vilket gör det lättare för det filter som krävs att kringgå den på ett effektiv sätt. Det är dock lämpligt att installera en dämpningskondensator på 10 µF/400 V i närheten av modulen GRM10Dx. Modulen innehåller en kondensator på 0,47 µF för att hantera momentana strömtoppar från interna switchningshändelser. Den externa kondensatorns värde för ekvivalent serieresistans (ESR) är inte avgörande, förutsatt att huvudfiltret för effektfaktorkorrigering ger tillräcklig dämpning.

Ganmar Technologies har även en äldre modul av likriktarbryggan med AC-inspänning, komplett med en säkring och filter för elektromagnetiska störningar, för enkel integrering med modulen GRM10Dx. Detta förenklar anslutningen till växelströmskällan. Kontakta Ganmars tekniska support för mer information om hur du integrerar modulen.

Förspänning för drivkrets

Figurerna 3 och 4 visar schemat och en bild på modulen GMR10D000, en isolerad DC/DC-omvandlare med dubbla utspänningar som kan leverera 15 W. V_OUT1 ger normalt 6,5 V vid 3 W medan V_OUT2 ger 22 V vid 12 W. Båda utspänningarna når sitt stabila tillstånd inom 10 ms. I det här avsnittet beskrivs hur du ansluter funktionerna i figur 1 till enheterna GMR10Dx för att uppnå önskad funktionalitet och prestanda.

Figur 3: Anslutning med tre faser. (Bildkälla: Ganmar Technologies)

Figur 4: Modulen GMR10D000. (Bildkälla: Ganmar Technologies)

Figur 5 visar hur flera moduler av GMR10Dx sammankopplas för att uppfylla funktionerna i effektstyrenheten för förspänning. I detta avsnitt ges en detaljerad förklaring för tillämpningen av GMR04B008 i samband med HS-U-blocket. De andra två modulerna kan enkelt kopieras genom att ansluta referensreturer som motsvarar deras respektive noder.

Figur 5: Funktionsschema för modulens drivningar (visas med GMR10D005). (Bildkälla: Ganmar Technologies)

Figur 6 visar tillgängligheten för 22 V spänning i förhållande till den allmänt refererade "jord"-noden GNDS.

Figur 6: Internt schema för GMR04B00x med variabel gatedrivning och direkt gatedrivning. (Bildkälla: Ganmar Technologies)

Krav på effektstegets gränssnitt

Som framgår av figur 6 rekommenderas i allmänhet att en negativ förspänning tillämpas i GaN-system för att stänga av GaN-effektenheter, i synnerhet i topologier med hård switchning där strömmen överstiger 30 A. I figur 7 visas illustrativa diagram (med tillstånd från Infineons webbseminarium) som visar tillvägagångssättet.

Figur 7: Effekterna av V_EE för avstängningsdynamiken. (Bildkälla: Infineon)

Implementering och egenskaper för till-/frånslag - Modulens implementering av delningskretsar för Infineon-enheter säkerställer effektiva till-/och frånslagsspänningar samtidigt som förlusterna vid från-övergången minimeras. Den delade drivningens vågformer och konstruktionen av GS66xx från Infineon bidrar till ökad verkningsgrad, tillsammans med en unik transformatorkonstruktion som minskar ringningstoppar vid frånslag i GS66xx.

Till-/frånslag

För ett fullständigt tillslag krävs en grinddrivkrets på 5,6 V med minimal parasitisk induktans och kapacitiv koppling mellan känsliga kopplingsnoder och banor. Det är viktigt att följa GaN-leverantörens riktlinjer för korrekt placering och utformningen av banornas väg mellan kretsarna.

Under avstängning ska gate-source-spänningen (V_GS) vara betydligt lägre än gränsvärdesspänningen (V_TH), med en referensnivå på cirka 0 V i de kretsar som diskuteras här. Artikeln förutsätter användning av grinddrivkretsen ADUM7223 från Analog Devices. Det är viktigt att notera att drivkretsens utgång för underspänningsskydd (UVLO) är 5 V, vilket gör den lämplig för den grinddrivning på 5,6 V som krävs av GaN-enheter. Effektförlusten i GaN-drivkretsen kan beräknas med hjälp av drivkretsens datablad:

Om man antar en switchning på 250 kHz och värdena nedan kan A P_D beräknas:

Konfigurationen av drivkretsen medför en förlust på 100 mW, vilket ligger väl inom kapaciteten för modulerna GMR10Dx och GMR04B00x. Modulen GMR10Dx kan leverera betydligt mer ström än vad som krävs för drivkretsen, vilket ger en robust strömförsörjning för dess drift.

Konfiguration av HV GaN för drivkrets

Modulen GMR10Dx levererar de nödvändiga förspänningarna för både de övre och nedre GaN-drivkretsarna i en konfiguration som en halvbrygga (HB). Figur 8 visar anslutningarna för GaN-drivkretsarna från delningskretsarna.

Korrekta referenser för förspänningsreturerna är avgörande för att förhindra felaktigt switchningsbeteende och potentiell skada på GaN-kretsarna. Användare bör följa de riktlinjer och rekommendationer som ges i de specifika GaN-databladen och tillämpningsanvisningarna för att säkerställa korrekt och säker drift. Ytterligare vägledning finns i databladets tillämpningsbeskrivningar för den integrerade modulen GMR04Bx Dual Direct Driver.

Figur 8: Totempålekonstruktion och en klassisk konfiguration med halvbrygga och delade direktanslutningar till GaN-switchar. (Bildkälla: Ganmar Technologies)

Modulen GMR04B00x levererar den variabla förspänning som krävs för den övre GaN-switchens grinddrivkrets, vilket eliminerar behovet av ytterligare kretsar som t.ex. en flygande bootstrap-kondensator för att generera den nödvändiga förspänningen.

Med modulerna GMR04B00x kan de variabla spänningarna för grinddrivkretsarna anslutas direkt till grindarna på både den övre och den nedre GaN-switchen, vilket ger en stabil grinddrivning på ±5,6 V. Tillvägagångssättet förenklar konstruktionen eftersom styrenheten inte behöver switcha den nedre enheten för att generera förspänningen till den övre grinddrivkretsen.

Genom att använda modulerna GMR04B00x kan de önskade spänningarna för grinddrivkretsarna uppnås för både de övre och nedre GaN-switcharna utan den komplexitet och de extra komponenter som krävs med alternativa metoder för förspänning.

Det gamla bootstrap-schemat som visas i figur 9 har flera nackdelar, bland annat behovet av ytterligare komponenter som t ex dioder och icke-polära kondensatorer, vars värden kan behöva justeras baserat på de specifika kraven för GaN-enheter eller andra enheter. Startproblem och avsaknaden av en fast förspänning är betydande problem med denna metod. Dessutom är det gamla systemet med bootstrap inkompatibelt med bipolära HB-noder.

Figur 9: Schema med variabel förspänning för äldre grinddrivkretsar. (Bildkälla: Ganmar Technologies)

Den kompakta layouten hos modulerna GMR10Dx och GMR04B00x, tillsammans med deras tillhörande tillval, synliggör däremot deras platsbesparande fördelar. Detta gör dem till en praktisk lösning för tillämpningar som kräver effektiv förspänning och korrekt referens.

Strömavkänning

Figur 10 och 11 illustrerar integrationen av strömavkänning med shuntresistorer i modulerna GMR10Dx och GMR04B00x. Shuntresistorer används ofta för att mäta och övervaka den ström som flyter genom en krets. Genom att placera resistorerna strategiskt utmed strömbanan kan spänningsfallet över dem mätas och användas för att beräkna strömmen.

När det gäller GMR-modulerna är shuntresistorerna för strömavkänning seriekopplade med lasten eller en isolerad strömavkänningsmodul med hög bandbredd. Inställningen säkerställer noggrann strömavkänning och övervakning. GMR-modulerna tillhandahåller de nödvändiga variabla eller jordrefererade förspänningarna och strömförsörjningen för att stödja systemen för strömavkänning och säkerställa tillförlitliga och exakta mätningar.

Genom att integrera strömavkänning i systemkonstruktionen kan användaren samla in värdefull information om strömnivåer och övervaka kretsens eller systemets prestanda. Detta är särskilt användbart i tillämpningar som kräver exakt strömstyrning eller skydd, som t ex motorstyrning, kraftelektronik eller system för förnybar energi.

Figur 10: Äldre shuntresistor för strömavkänning. (Bildkälla: Ganmar Technologies)

Figur 11: Strömavkänningen GMRCS000 utan förluster. (Bildkälla: Ganmar Technologies)

Ganmar Technologies erbjuder modulerna GMRCSN000 och GMRCSP000 som små, isolerade lösningar utan förluster för strömgivare. Modulerna har isolerad strömavkänning med hög bandbredd utan att det krävs någon ytterligare shuntresistor för strömbanan. Detta eliminerar effektförlusterna och förenklar konstruktionen.

Modulerna GMRCSN000 och GMRCSP000 känner av strömmen som flyter genom kretsen och har två utgångspolariteter: 0 till +Vsense och -Vsense till 0. Utspänningsområdena är lämpliga för direkt koppling med analog- till digitalomvandlare i inbyggda styrenheter eller för analoga styrenheter som används för tillämpningar med effektfaktorkorrigering utan brygga.

Genom att använda modulerna GMRCSN000 eller GMRCSP000 förenklas implementeringen av strömavkänning, värdefullt kretskortsutrymme sparas och exakta och isolerade strömmätningar säkerställs. Kontakta Ganmar Technologies tekniska support för detaljerad hjälp och integrationsvägledning för mer information om modulerna och deras relevanta artikelnummer.

Sammanfattning

Artikeln beskriver en omfattande konstruktionsmetod för systemstart och förspänning med modulerna GMR10Dx och GMR04B00x i kombination med GaN-switchar med hög spänning och hög effekt. Fokus ligger på GaN-switchar från Infineon som ofta används i tillämpningar som t ex motorer och omriktare med tre faser och elfordonsladdare nivå 3.

Jämfört med äldre metoder har konstruktionen flera fördelar som t ex ökad tillförlitlighet, effektivitet och är mindre format. Modulerna GMR10Dx och GMR04B00x är en mångsidig och robust lösning för start av system och förspänning, med direkta anslutningar till switcharnas grindar.

Dessutom presenterades modulerna GMRCSN000 och GMRCSP000 som är en liten lösning utan förluster för strömavkänning med flexibla utspänningsfunktioner. Modulerna förenklar implementeringen av strömavkänning och ger noggranna, isolerade strömmätningar.

För kunder som är intresserade av att implementera konstruktionerna med komponenter från Ganmar Technologies finns det scheman, materiallistor och layouter (där så är tillämpligt) tillgängliga i Altium-format som är kompatibelt med KiCad. Kontakta Ganmar Technologies tekniska support eller försäljningsteam för ytterligare diskussioner, prisförfrågningar och tillgänglighet.

Genom att utnyttja de konstruktionsmetoder och lösningar som presenteras i artikeln kan konstruktörer förbättra systemens prestanda och tillförlitlighet avsevärt med GaN-switchar. De kan dessutom de dra nytta av den expertis och det stöd som tillhandahålls av Ganmar Technologies.