Zastosowanie urządzeń zasilających GaN w najlepszych przemiennikach do silników średniej mocy

Dążenie do efektywniejszego wykorzystania źródeł zasilania, surowsze wymogi regulacyjne i korzyści techniczne wynikające z pracy w niższej temperaturze wspierają najnowsze inicjatywy mające na celu zmniejszenie ilości energii zużywanej przez silniki elektryczne. W przypadku krytycznych zastosowań przemienników, technologie przełączania, takie jak tranzystory MOSFET, często nie są w stanie sprostać bardziej wymagającym parametrom działania i sprawności.

Zamiast tego projektanci mogą osiągać wspomniane cele przy użyciu technologii tranzystorów polowych (FET) o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) opartych na azotku galu (GaN), która została udoskonalona i rozwinięta pod względem kosztów, parametrów działania, niezawodności i łatwości użytkowania. Urządzenia oparte na azotku galu (GaN) obecnie dominują na rynku i są preferowanym wyborem dla przemienników o średniej mocy.

Czym jest przemiennik?

Rolą przemiennika jest tworzenie i regulowanie przebiegu prądu zasilającego silnik, który jest często bezszczotkowym silnikiem prądu stałego (BLDC). Kontroluje on prędkość i moment obrotowy silnika, zapewniając m.in. płynne uruchamianie i zatrzymywanie, zmianę kierunku obrotów i przyspieszanie. Musi również zapewniać osiągnięcie i utrzymanie pożądanych parametrów działania silnika pomimo zmian obciążenia.

Należy pamiętać, że przemiennik prądu silnika z wyjściem o zmiennej częstotliwości nie powinien być mylony z liniowym przemiennikiem prądu zmiennego. Ten ostatni pobiera prąd stały ze źródła, takiego jak bateria samochodowa, aby zapewnić przebieg prądu zmiennego o stałej częstotliwości 120/240V, który jest zbliżony do fali sinusoidalnej i może być używany do zasilania urządzeń zasilanych z sieci energetycznej.

Dlaczego warto rozważyć urządzenia GaN?

Urządzenia GaN mają atrakcyjne cechy w porównaniu z krzemem, w tym wyższe szybkości przełączania, niższą rezystancję dren-źródło w stanie włączenia (RDS(ON)) i lepsze parametry termiczne. Niższa rezystancja RDS(ON) pozwala na ich zastosowanie w mniejszych i lżejszych napędach silnikowych oraz zmniejsza straty mocy, oszczędzając energię i koszty w zastosowaniach takich jak rowery elektryczne i drony. Mniejsze straty przełączania sprawiają, że napędy silnikowe są wydajniejsze i mogą zwiększać zasięg lekkich pojazdów elektrycznych (EV). Wyższe szybkości przełączania pozwalają na reagowanie silnika z niską latencją, co jest niezbędne w zastosowaniach wymagających precyzyjnej kontroli nad silnikiem, takich jak robotyka. Tranzystory GaN FET mogą również służyć do tworzenia mocniejszych i bardziej wydajnych napędów silników wózków widłowych. Tranzystory GaN FET mogą obsługiwać wyższe prądy, co pozwala na ich wykorzystanie z większymi i mocniejszymi silnikami.

W przypadku zastosowań końcowych, najważniejsze korzyści to zmniejszone rozmiary i ciężar, wyższa gęstość mocy i sprawność energetyczna oraz lepsze parametry termiczne.

Pierwsze kroki z technologią GaN

Projektowanie z wykorzystaniem dowolnego urządzenia przełączającego zasilanie, zwłaszcza dla średnich prądów i napięć, wymaga zwracania uwagi na najdrobniejsze szczegóły urządzenia i jego specyficzne cechy. Urządzenia oparte na azotku galu (GaN) mają dwie opcje struktury wewnętrznej: obszar zubożenia (d-GaN) i obszar wzbogacenia (e-GaN). Przełącznik d-GaN jest zwykle „włączony” i wymaga zasilania ujemnego, co zwiększa poziom skomplikowania w projektowaniu obwodów. Natomiast przełączniki e-GaN to układy MOSFET, które są normalnie „wyłączone”, co skutkuje prostszą architekturą obwodu.

Urządzenia GaN są z natury dwukierunkowe i zaczynają przewodzić, gdy napięcie wsteczne na nich przekroczy napięcie progowe bramki. Ponadto, ponieważ z założenia nie są one zdolne do pracy w trybie lawinowym, krytyczne znaczenie ma wystarczające napięcie znamionowe. Wartość znamionowa 600V jest zasadniczo odpowiednia przy napięciu szyny do 480V w przypadku topologii obniżającej, podwyższającej i mostka prądu stałego.

Choć przełączniki oparte na azotku galu (GaN) są proste w swojej podstawowej funkcji włączania i wyłączania, są urządzeniami mocy, więc projektanci muszą dokładnie rozważyć wymagania dotyczące włączania i wyłączania, czasu przełączania, układu wpływu zjawisk pasożytniczych, sterowania przepływami prądu i spadków napięcia prądu spowodowanych przepływem prądu przez rezystancję na płytce drukowanej.

Dla wielu projektantów używanie zestawów ewaluacyjnych jest najlepszym sposobem na zrozumienie możliwości urządzeń GaN i sposobu ich wykorzystania. Zestawy te wykorzystują pojedyncze i zwielokrotnione urządzenia GaN w różnych konfiguracjach i poziomach mocy. Zawierają one również powiązane komponenty pasywne, w tym kondensatory, cewki indukcyjne, rezystory, diody, czujniki temperatury, urządzenia zabezpieczające i złącza.

Zacznijmy od urządzeń niższej mocy

Doskonałym przykładem tranzystora GaN FET niższej mocy jest EPC2065. Jego napięcie dren-źródło (VDS) wynosi 80V, prąd drenu (ID) 60A, a rezystancja RDS(ON) wynosi 3,6mΩ. Jest on dostarczany wyłącznie w formie pasywowanej struktury z paskami do lutowania i ma wymiary 3,5 × 1,95mm (ilustracja 1).

Podobnie jak w przypadku innych urządzeń GaN, poprzeczna struktura urządzenia EPC2065 i dioda nośników większościowych zapewniają wyjątkowo niski całkowity ładunek bramki (QG) i zerowy ładunek regeneracji wstecznej (QRR). Te cechy sprawiają, że jest to dobre rozwiązanie w sytuacjach, gdzie korzystne są bardzo wysokie częstotliwości przełączania (do kilkuset kiloherców) i niski czas włączania, oraz w przypadkach, gdzie dominują straty w stanie włączenia.

Z omawianym urządzeniem skojarzone są dwa podobne zestawy ewaluacyjne: EPC9167KIT do pracy z prądem 20A/500W oraz EPC9167HCKIT wyższej mocy do pracy z prądem 20A/1kW (ilustracja 2). Obie są trójfazowymi płytkami przemiennika napędu silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC).

Ilustracja 2: Dolna (po lewej) i górna (po prawej) strona płytki EPC9167. (Źródło ilustracji: EPC)

Podstawowa konfiguracja urządzenia EPC9167KIT wykorzystuje pojedynczy tranzystor polowy (FET) dla każdej pozycji przełączania i może dostarczyć do 15ARMS (wartość nominalna) i 20ARMS (wartość szczytowa) prądu na fazę. Natomiast wysokoprądowa konfiguracja EPC9167HC wykorzystuje dwa równoległe tranzystory FET na każdą pozycję przełącznika i może dostarczać maksymalny prąd wyjściowy do 20ARMS/30ARMS (nominalny/szczytowy), demonstrując względną łatwość, z jaką tranzystory GaN FET mogą być konfigurowane równolegle celem uzyskania wyższego prądu wyjściowego. Schemat blokowy płytki bazowej EPC9167 przedstawiono na ilustracji 3.

Ilustracja 3: Diagram przedstawiający schemat blokowy płytki bazowej EPC9167, zastosowanej w napędzie bezszczotkowego silnika prądu stałego (BLDC); EPC9167HC wyższej mocy zawiera dwa równoległe urządzenia EPC2065 dla każdego przełącznika, podczas gdy EPC9167 niższej mocy posiada tylko jeden tranzystor FET na przełącznik. (Źródło ilustracji: EPC)

Zestaw EPC9167KIT zawiera wszystkie krytyczne obwody do obsługi kompletnego przemiennikowego napędu silnika, w tym sterowniki bramek, regulowane szyny zasilania pomocniczego, czujnik napięcia, czujnik temperatury, czujnik prądu i funkcje zabezpieczeń.

EPC9167 współpracuje z różnymi kompatybilnymi kontrolerami i jest wspierany przez różnych producentów. Można go szybko skonfigurować jako przemiennik napędu silnikowego lub przetwornicę prądu stałego, wykorzystując dostępne zasoby do szybkiego opracowania. W tej pierwszej roli zapewnia wielofazową konwersję prądu stałego obsługującą częstotliwości modulacji szerokości impulsu (PWM) do 250kHz w zastosowaniach związanych z napędami silników; w zastosowaniach prądu stałego niezwiązanych z silnikami działa do 500kHz.