Integracja stopni mocy w technologii GaN z zasilanymi bateryjnie silnikami bezszczotkowymi prądu stałego

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 (RDS(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 (QG) i ładunek regeneracyjny (QRR).

W porównaniu do urządzenia MOSFET o podobnej rezystancji RDS(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 RDS(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.