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

Gotowy do użycia zestaw ewaluacyjny falownika silnika

Najprostszym i najszybszym sposobem na uruchomienie trójfazowego silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC) w technologii GaN jest użycie zestawu ewaluacyjnego przemiennika silnika EPC9176KIT firmy EPC. Zawiera on płytkę przemiennika silnika EPC9176 i płytkę kontrolera z cyfrowym procesorem sygnałowym (DSP). Komplet zawiera również prosty adapter wtykowy kontrolera EPC9147E do sterowania za pomocą specyficznego dla klienta kontrolera hosta. Złącze sprzęgające przenosi następujące sygnały: 3 × PWM, 2 × enkoder, 3 × Ufaz., 3 × Ifaz., U=, I= i 2 × dioda LED statusu.

Projekt referencyjny w postaci płytki przemiennika silnika EPC9176 ułatwia projektowanie obwodów we własnym zakresie, natomiast płytka kontrolera EPC9147A, w połączeniu ze środowiskiem programistycznym MotorBench firmy Microchip Technology, umożliwia użytkownikom szybkie rozpoczęcie pracy bez konieczności poświęcania czasu na kodowanie lub programowanie.

Trójfazowy przemiennik bezszczotkowego silnika prądu stałego (BLDC) integruje trzy sterowniki półmostkowe GaN EPC23102 do sterowania silnikami prądu zmiennego lub prądu stałego oraz przetwornice mocy prądu stałego. Przy rezystancji RDS(on) wynoszącej maksymalnie 6,6mΩ, stopień mocy powoduje niewielkie straty cieplne przy szczytowych prądach obciążeniowych do 28A (Apk) lub 20A prądu skutecznego (ARMS) w pracy ciągłej przy napięciach przełączania do 100V. Skonfigurowane do wielofazowej konwersji prądu stałego urządzenie EPC23102 obsługuje częstotliwości przełączania modulacji szerokości impulsu (PWM) do 500kHz oraz do 250kHz w zastosowaniach napędów silnikowych.

Płytka EPC9176 przemiennika silnika o wymiarach 8,1 × 7,5cm zawiera wszystkie krytyczne obwody funkcjonalne niezbędne do obsługi kompletnego przemiennika silnika, w tym kondensatory szyny prądu stałego, sterowniki bramek, a także do pomiaru regulowanego napięć pomocniczych, napięcia fazowego, prądu fazowego i temperatury, wraz z funkcjami zabezpieczającymi i opcjonalnymi filtrami harmonicznych lub promieniowania elektromagnetycznego (EMR) dla każdej fazy (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Przemiennik silnika EPC9176 zawiera kondensatory szyny prądu stałego, sterowniki bramek, regulator napięcia, funkcje pomiaru napięcia, funkcje zabezpieczeń prądowych i temperaturowych oraz filtry promieniowania elektromagnetycznego (EMR). (Źródło ilustracji: EPC)

Trójfazowy przemiennik w technologii azotkowo-galowej (GaN) działa z napięciami wejściowymi od 14 do 65V=. Przełączanie odbywa się bez przeregulowania, co zapewnia płynny moment obrotowy i minimalny hałas podczas pracy. Płytka jest zoptymalizowana pod kątem typowego dla azotku galu (GaN) szybkiego zbocza przełączania poniżej 10V/ns, które może być opcjonalnie zredukowane do obsługi przetwornicy prądu stałego. Ponadto można podłączyć dwa czujniki pozycji wirnika (czujniki Halla) pracujące z różnymi poziomami napięcia.

Moment obrotowy wolny od drgań i niski hałas podczas pracy

Na przykładzie wdrożenia trójfazowego silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC) zademonstrowano wpływ parametryzacji czasu martwego na płynność pracy silnika, a tym samym na generowanie hałasu. Czas blokady przy przejściu przełączania tranzystora polowego po stronie wysokiej i po stronie niskiej półmostka opartego na tranzystorach polowych w technologii azotku galu (GaN) można ustawić na bardzo małą wartość, ponieważ azotkowo-galowe tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów (GaN HEMT) reagują niezwykle szybko i nie wytwarzają pasożytniczych przeregulowań, jak to ma miejsce w przypadku wolniejszych tranzystorów MOSFET.

Na ilustracji 4 (z lewej strony) przedstawiono przemiennik azotkowo-galowy (GaN) działający przy typowym dla tranzystorów MOSFET czasie martwym 500ns i modulacji szerokości impulsu (PWM) z częstotliwością 40kHz. To, co powinno być gładkim sinusoidalnym prądem fazowym, wykazuje niezwykle wysokie zniekształcenia, co skutkuje wysokimi tętnieniami momentu obrotowego i związanym z tym hałasem. Na ilustracji 4 (z prawej strony) czas martwy został zredukowany do 50ns, co pozwala uzyskać sinusoidalny prąd fazowy i płynnie pracujący silnik wytwarzający bardzo mało hałasu.

Ilustracja 4: Czas martwy wynoszący 500ns przy częstotliwości modulacji szerokości impulsu (PWM) 40kHz (po lewej), typowy dla tranzystorów MOSFET, powoduje silne zniekształcenia prądu fazowego, co skutkuje wysokimi tętnieniami momentu obrotowego i wysokimi poziomami hałasu. Przy czasie martwym 50ns (po prawej) generowany jest sinusoidalny prąd fazowy, dzięki czemu silnik obraca się płynnie przy niskim poziomie hałasu. (Źródło ilustracji: EPC)

Mniejsze tętnienia prądu fazowego oznaczają również mniejsze straty magnetyzacji w cewkach stojana, natomiast mniejsze tętnienia napięcia fazowego pozwalają na uzyskanie wyższej rozdzielczości, a także bardziej precyzyjnej kontroli nad momentem i prędkością, zwłaszcza w przypadku silników o niskiej indukcyjności stosowanych w mniejszych konstrukcjach.

Do zastosowań w napędach silnikowych, które wymagają większej mocy, dostępne są dwie płytki przemiennika azotkowo-galowego (GaN): EPC9167HCKIT (1kW) i EPC9167KIT (500W). Obie wykorzystują układ EPC2065 z tranzystorami GaN FET, charakteryzujący się maksymalną rezystancją RDS(on) 3,6mΩ i maksymalnym napięciem urządzenia 80V. Podczas gdy płytka EPC9167 wykorzystuje pojedyncze tranzystory polowe dla każdej pozycji przełączania, EPC9167HC posiada dwa tranzystory polowe pracujące równolegle, zapewniające maksymalny prąd wyjściowy 42Apk (30ARMS). Tranzystor GaN FET w urządzeniu EPC2065 obsługuje częstotliwości przełączania modulacji szerokości impulsu (PWM) do 250kHz w zastosowaniach sterowania silnikami i maksymalnie 500kHz w przetwornicach prądu stałego.

Jeszcze wyższą moc - dochodzącą do 1,5kW - zapewnia płytka przemiennika w zestawie EPC9173KIT. Płytka tworzy gałęzie półmostkowe z dwóch pojedynczych układów scalonych azotkowo-galowego (GaN) sterownika bramek EPC23101ENGRT, które mają tylko jeden zintegrowany tranzystor polowy (FET) zasilania po stronie wysokiej. Płytkę można rozbudowywać jako przetwornicę obniżającą, podwyższającą, układ półmostkowy, pełnomostkowy lub przetwornicę LLC. Zapewnia ona prądy wyjściowe do 50Apk (35 ARMS) i pracuje z częstotliwością przełączania modulacji szerokości impulsu (PWM) do 250kHz, przy odpowiednim chłodzeniu.