Hoe GaN-voedingsapparaten te gebruiken voor superieure middenbereik motorinverters

De drang naar efficiënter gebruik van energiebronnen, strengere regelgevende mandaten en de technische voordelen van een koelere werking ondersteunen allemaal recente initiatieven om de hoeveelheid stroom die elektromotors verbruiken te verminderen. Hoewel schakeltechnologieën zoals silicium MOSFET's wijdverspreid zijn, kunnen ze vaak niet voldoen aan de meer veeleisende prestatie- en efficiëntiedoelstellingen van kritische invertertoepassingen.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers deze doelen bereiken met galliumnitride (GaN), een brede bandkloof (WBG) FET-apparaattechnologie die verbeterd en geavanceerd is op het gebied van kosten, prestaties, betrouwbaarheid en gebruiksgemak. GaN-apparaten zijn nu mainstream en hebben de voorkeur gekregen voor inverters in het middensegment.

In dit artikel wordt onderzocht hoe de nieuwste generatie op GaN gebaseerde FET's van Efficient Power Conversion Corporation (EPC) krachtige motorinverters mogelijk maakt. Evaluatieborden worden gepresenteerd om ontwerpers vertrouwd te maken met de eigenschappen van GaN-apparaten en om ontwerpen te versnellen.

Wat is een inverter?

De rol van een inverter is het creëren en regelen van de stroomgolfvorm die een motor aandrijft, vaak van het type borstelloze gelijkstroom (BLDC). Het regelt onder andere de motorsnelheid en het motorkoppel voor soepel starten en stoppen, achteruitrijden en acceleratiesnelheid. Het moet er ook voor zorgen dat de gewenste motorprestaties worden bereikt en behouden ondanks veranderingen in de belasting.

Merk op dat een motorinverter met variabele frequentie-uitgang niet moet worden verward met een AC-lijninverter. De laatste neemt gelijkstroom van een bron zoals een autobatterij om een vaste frequentie 120/240 volt wisselstroomgolfvorm te leveren, die een sinusgolf benadert en gebruikt kan worden om apparaten op het lichtnet te voeden.

Waarom GaN overwegen?

GaN-apparaten hebben aantrekkelijke eigenschappen ten opzichte van silicium, zoals hogere schakelsnelheden, lagere drain-source on-weerstand (R_DS(ON)) en betere thermische prestaties. Door de lagere R_DS(ON) kunnen ze worden gebruikt in kleinere en lichtere motoraandrijvingen en worden de vermogensverliezen beperkt, waardoor energie en kosten worden bespaard in toepassingen zoals e-bikes en drones. Lagere schakelverliezen leiden tot efficiëntere motoraandrijvingen die het bereik van lichte elektrische voertuigen (EV's) kunnen vergroten. Hogere schakelsnelheden zorgen voor motorreacties met een lage latentie, wat essentieel is voor toepassingen die een nauwkeurige motorbesturing vereisen, zoals robotica. GaN FET's kunnen ook worden gebruikt om krachtigere en efficiëntere aandrijvingen voor vorkheftruckmotoren te ontwikkelen. Dankzij de hogere stroomverwerkingscapaciteit van GaN FET's kunnen ze worden gebruikt voor grotere en krachtigere motoren.

Voor eindtoepassingen zijn de belangrijkste voordelen een kleinere omvang en een lager gewicht, een hogere vermogensdichtheid en efficiëntie en betere thermische prestaties.

Aan de slag met GaN

Ontwerpen met elk vermogensschakelend apparaat, vooral voor middenbereikstromen en spanningen, vereist aandacht voor de kleinste details en unieke eigenschappen van het apparaat. GaN-apparaten hebben twee interne structuuropties: verarmingsmodus (d-GaN) en versterkingsmodus (e-GaN). Een d-GaN-schakelaar is normaal "aan" en heeft een negatieve voeding nodig; het is ingewikkelder om deze in schakelingen te ontwerpen. Daarentegen zijn e-GaN-schakelaars normaal "uit" MOSFET's, wat resulteert in een eenvoudigere circuitarchitectuur.

GaN-apparaten zijn inherent bidirectioneel en beginnen te geleiden zodra de sperspanning erover de gate drempelspanning overschrijdt. Omdat ze bovendien niet ontworpen zijn om in lawinemodus te werken, is het van cruciaal belang om een voldoende hoge spanning te hebben. Een nominale waarde van 600 volt is over het algemeen voldoende bij busspanningen tot 480 volt voor buck-, boost- en bridge DC-conversietopologieën.

Hoewel GaN-schakelaars eenvoudig zijn in hun basis aan/uit stroomschakelfunctionaliteit, zijn het stroomapparaten, dus ontwerpers moeten zorgvuldig rekening houden met de vereisten voor aan- en uitschakelen, schakeltiming, lay-out, de impact van parasieten, regeling van stroomstromen en stroom-weerstand (IR) druppels op de printplaat.

Voor veel ontwerpers is het gebruik van evaluatiekits de meest effectieve manier om te begrijpen wat GaN-apparaten kunnen en hoe ze te gebruiken. Deze kits gebruiken individuele en meerdere GaN-apparaten in verschillende configuraties en vermogensniveaus. Ze omvatten ook de bijbehorende passieve componenten, zoals condensators, inductors, weerstanden, diodes, temperatuursensors, beveiligingen en connectors.

Begin met apparaten met een lager energieverbruik

Een uitstekend voorbeeld van een GaN FET met een lager vermogen is de EPC2065. Het heeft een drain-source spanning (V_DS) van 80 volt, een drainstroom (I_D) van 60 ampère (A) en een R_DS(ON) van 3,6 milliohms (mΩ). Het wordt alleen geleverd als gepassiveerde matrijs met soldeerstaafjes en meet 3,5 × 1,95 millimeter (mm) (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De 80 volt, 60 A EPC2065 GaN FET is een gepassiveerd apparaat met geïntegreerde soldeerstaven. (ABron afbeelding: EPC)

Net als bij andere GaN-apparaten zorgen de laterale structuur van de EPC2065 en de meerderheidsdraaggolfdiode voor een uitzonderlijk lage totale poortlading (Q_G) en geen omgekeerde herstellading (Q_RR). Deze eigenschappen maken het systeem geschikt voor situaties waarin zeer hoge schakelfrequenties (tot enkele honderden kilohertz) en een lage inschakelduur voordelig zijn, evenals situaties waarin on-state verliezen domineren.

Dit apparaat wordt ondersteund door twee vergelijkbare evaluatiekits: de EPC9167KIT voor een vermogen van 20 A/500 watt en de EPC9167HCKIT met een hoger vermogen voor een vermogen van 20 A/1 kilowatt (kW) (Afbeelding 2). Beide zijn driefasige BLDC motoraandrijving inverterborden.

Afbeelding 2: De onderkant (links) en bovenkant (rechts) van het EPC9167-bord. (Bron afbeelding: EPC)

De basisconfiguratie van de EPC9167KIT gebruikt een enkele FET voor elke schakelpositie en kan tot 15 A_{RMS (} nominale waarde) en 20 A_RMS (piekwaarde) stroom per fase leveren. De EPC9167HC-configuratie met hogere stroomsterkte gebruikt daarentegen twee parallelle FET's per schakelaarpositie en kan maximale stromen leveren tot 20 A_RMS/30 A_RMS (nominaal/piek) uitgangsstroom, wat het relatieve gemak aantoont waarmee GaN FET's parallel kunnen worden geconfigureerd voor hogere uitgangsstroom. Afbeelding 3 toont een blokschema van het basisbord van de EPC9167.

Afbeelding 3: Dit is een blokschema van het basisbord van de EPC9167 in een toepassing met BLDC-aandrijving; de EPC9167HC met hoger vermogen heeft twee EPC2065-apparaten parallel voor elke schakelaar, terwijl de EPC9167 met lager vermogen slechts één FET per schakelaar heeft. (Bron afbeelding: EPC)

De EPC9167KIT bevat alle kritieke schakelingen om een complete motorinverter te ondersteunen, inclusief poortdrivers, geregelde hulpvoedingsrails voor huishoudelijke voedingen, spanningsdetectie, temperatuurdetectie, stroomdetectie en beveiligingsfuncties.

De EPC9167 kan worden gecombineerd met diverse compatibele controllers en wordt ondersteund door diverse fabrikanten. Het kan snel worden geconfigureerd als een inverter voor motoraandrijving of een DC-DC-inverter door gebruik te maken van bestaande bronnen voor snelle ontwikkeling. In de eerste rol biedt het meerfasige DC-DC-conversie met ondersteuning van pulsbreedtemodulatie (PWM) schakelfrequenties tot 250 kilohertz (kHz) in motoraandrijvingstoepassingen; voor niet-motor DC-DC-toepassingen werkt het tot 500 kHz.

Naar een hoger vermogen gaan

Aan het andere uiteinde van het vermogensbereik bevindt zich de EPC2302, een GaN FET met een nominale spanning van 100 volt/101 A en slechts 1,8 mΩ R_DS(ON). Hij is zeer geschikt voor hoogfrequente DC-DC-toepassingen van 40 tot 60 volt en BLDC-motoraandrijvingen van 48 volt. In tegenstelling tot de gepassiveerde matrijsverpakking met soldeerstaven die werd gebruikt voor de EPC2065, zit deze GaN FET in een QFN-pakket van 3 × 5 mm met een blootliggende bovenkant voor superieur thermisch beheer.

De thermische weerstand tegen de bovenkant van de behuizing is laag, slechts 0,2 °C per watt, wat resulteert in een uitstekend thermisch gedrag en de koelingsuitdagingen verlicht. De blootliggende bovenkant verbetert het thermisch beheer aan de bovenzijde, terwijl de zijdelings verwisselbare flanken garanderen dat het volledige zijdelingse padoppervlak wordt bevochtigd met soldeer tijdens het reflow soldeerproces. Dit beschermt het koper en maakt solderen op deze externe flank mogelijk voor gemakkelijke optische inspectie.

De voetafdruk van de EPC2302 is minder dan de helft van de grootte van de best-in-class silicium MOSFET met vergelijkbare R_DS(on) en spanningswaarden, terwijl zijn Q_G en Q_GD aanzienlijk kleiner zijn en zijn Q_RR nul is. Dit resulteert in lagere schakelverliezen en lagere gate driver verliezen. De EPC2302 werkt met een korte dode tijd van minder dan 10 nanoseconden (ns) voor een hogere efficiëntie, terwijl de Q_RR zonder waarde de betrouwbaarheid verbetert en elektromagnetische interferentie (EMI) minimaliseert.

Om de EPC2302 te oefenen, ondersteunt het EPC9186KIT-evaluatiebord voor motorcontroller/driver-energiebeheer motors tot 5 kW en kan tot 150 A_RMS en 212 A_PEAK leveren maximale uitgangsstroom (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De bovenkant (links) en onderkant (rechts) van het EPC9186KIT 5 kW evaluatiebord voor de EPC2302. (Bron afbeelding: EPC)

Om deze hogere stroomwaarde te bereiken, gebruikt de EPC9186KIT vier parallelle GaN FET's per schakelaarpositie, wat aantoont hoe gemakkelijk het is om deze benadering te gebruiken om hogere stroomniveaus te bereiken. Het bord ondersteunt PWM-schakelfrequenties tot 100 kHz in motoraandrijvingstoepassingen en bevat alle kritieke functies om een complete motoraandrijvingsinverter te ondersteunen, inclusief poortdrivers, geregelde hulphuishoudvoedingen, spannings- en temperatuurdetectie, nauwkeurige stroomdetectie en beveiligingsfuncties.

Conclusie

Motorinverters vormen de kritieke schakel tussen een basisstroombron en een motor. Het ontwerpen van kleinere inverters met een hoger rendement en betere prestaties is een steeds belangrijker doel. Hoewel ontwerpers kunnen kiezen uit verschillende procestechnologieën voor de kritieke vermogensschakelapparaten die middenbereik inverters gebruiken, hebben GaN-apparaten, zoals die van EPC, de voorkeur.