Voedingsregelaars optimaliseren voor industriële motorbesturing met GMR10Dx-modules voor meerfasige biasoplossingen

In dit artikel worden de ontwerpuitdagingen en belangrijkste overwegingen behandeld bij het ontwikkelen van een betrouwbare en veilige meerfasige voedingsregelaar. Het maakt gebruik van de GMR10Dx geïsoleerde DC/DC -convertormodule met zwevende uitgangen, gekoppeld aan Ganmar Technologies sterk geïntegreerde dubbele wide-bandgap schakelende gatedrive voedingsmodules. Het ontwerp en de constructie van deze modules zijn zo geoptimaliseerd dat ze voldoen aan de systeemvereisten op het gebied van betrouwbaarheid, veiligheid, EMI en thermisch beheer.

We tonen een illustratief systeemvoorbeeld van een driefasige wisselstroomingang die een PFC-fase (Power Factor Correction) voedt, gevolgd door een PWM-gestuurde (Pulse Width Modulation) zware belasting zoals een industriële motor. Het ontwerp is met name gericht op het aansturen van GAN-schakelaars van Infineon (voorheen GaN Systems) voor hoge spanning en biedt een praktische circuitoplossing. Beperkingen in traditionele methoden voor het aansturen van halfbrug (HB) totempaalschakelaars worden behandeld en alternatieve oplossingen voor het aansturen van zowel de hoge als lage schakelaars worden onderzocht. Praktische circuitontwerpen worden gepresenteerd om een betrouwbare, veilige werking te garanderen terwijl de benodigde ruimte tot een minimum wordt beperkt. Daarnaast bespreken we in dit artikel stroomdetectie met laag verlies en hoge bandbreedte om het ontwerpproces verder te vereenvoudigen.

De huidige ontwerpomgeving stelt ons voor tal van uitdagingen, waaronder de behoefte aan compacte hardware, lager stroomverbruik voor efficiënte koeling, grotere betrouwbaarheid met geoptimaliseerd thermisch beheer en kosteneffectieve oplossingen. Deze worden verder bemoeilijkt door krappe budgetten en kortere ontwikkelingstijden. Om deze uitdagingen aan te gaan, introduceert dit artikel standaard subsystemen en bouwstenen die ontwerpteams helpen om de expertise en compliance van leveranciers van subsystemen te benutten.

Dit artikel biedt een optimale oplossing voor deze ontwerpuitdagingen door gebruik te maken van de voedingsomvormer en interfacemodules van Ganmar Technologies. De modules maken een efficiënte ontwikkeling van een meerfasig gatedrive-systeem mogelijk, terwijl hun gestandaardiseerde vormfactor kostbare ruimte op de hoofdkaart uitspaart.

Een biasvoedingsregelaar ontwerpen voor een algemeen 3-fasesysteem voor hoog voltage en vermogen met behulp van de GMR10Dx

In dit deel beschrijven we de ontwerpoverwegingen voor het maken van een biasvoedingsregelaar in een systeem met hoog voltage en hoog vermogen met GMR10Dx DC/DC-convertormodules, samen met de zwevende gatedrive bias geleverd door de GMR04B00x-modules. Zoals in afbeelding 1a wordt getoond, kan het systeem een PWM-gestuurde zware belasting bevatten, zoals een industriële motor, die meerdere schakelaars bevat en meerdere bias-voltages vereist voor verschillende functionele blokken. Hieronder staan de belangrijkste aannames voor het ontwerp:

• Overwegingen voor EMI: Het systeem vereist een nagenoeg gelijke arbeidsfactor, waardoor het gebruik van een PFC noodzakelijk is.
• Opstartlogica: De PFC bevat een processor die onafhankelijke opstartlogica vereist voor de biasconverters.
• Energieverlies: Vermindering van de vermogensdissipatie in de controllerelektronica is essentieel voor de betrouwbaarheid en om de vereisten voor koelsystemen te vereenvoudigen.
• Gebruik van kant-en-klare producten: Het ontwerp maximaliseert het gebruik van direct beschikbare componenten.

Afbeelding 1a geeft een algemene systeemconfiguratie weer als visuele referentie in de volgende ontwerpbesprekingen.

Afbeelding 1a: Bias en opstarten van industrieel regelsysteem met hoge belasting. (Bron afbeelding: Ganmar Technologies)

Dit hoofdstuk richt zich op het ontwerp van de biasvoedingsregelaar en de integratie ervan in het totale systeem aan de hand van het blokschema in afbeelding 1a. Voor elke functie worden ontwerpopties beschreven, met uitzondering van de PFC- en PWM-regelaar, omdat we meer specifieke informatie over systeeminterfacevereisten nodig hebben om deze functies in detail te bespreken. Daarom worden die onderdelen in dit artikel niet in detail behandelen. Er wordt aangenomen dat het systeem gebruikmaakt van hoogspannings-GaN-schakelaars, zoals de GS66516T van Infineon, hoewel ook overwegingen voor alternatieve schakeltechnologieën, zoals SiC- of bipolaire schakelaars, worden besproken.

Daarnaast behandelt dit artikel de sterk geïntegreerde, zelfvoedende zwevende gatedriver-modules van Ganmar Technologies, in het bijzonder de GMR04B00x. De ‘x’ in het modelnummer geeft aan dat er verschillende opties voor de dual gatedriverchip beschikbaar zijn. Raadpleeg het gegevensblad van de GMR04B00x voor gedetailleerde specificaties en opties.

Biasvoedingsregelaar

De bias-vermogensregelaar is ontworpen om bescherming te bieden tegen spanningsdaling bij lage AC-ingangswaarden (UVLO) en een niet-geflatteerde uitschakeling te bieden als de AC-ingangen de maximum ingestelde limiet overschrijden (OVLO). Als de AC-ingang binnen veilige operationele waarden valt, genereert de GRM10Dx-module geïsoleerde DC-uitgangen op gemeenschappelijke spanningen, typisch 6 V en 22 V. In grotere systemen kunnen extra spanningsvormen nodig zijn. Afbeelding 1b illustreert een typische configuratie om deze spanningen te verkrijgen. Een 5 V-laagvermogensuitgang wordt gebruikt om de dual gatedriverchip in de GMR04B00x-module van stroom te voorzien, met name de ADUM7223 van Analog Devices. Raadpleeg het gegevensblad van de GMR04B00x voor andere beschikbare opties.

Afbeelding 1b: Typische lijmcircuitvormen afgeleid van de GMR10Dx. (Bron afbeelding: Ganmar Technologies)

De GMR04B00x-module voedt intern de zwevende zijde om twee bias-spanningen van 12 V te leveren. De hoge zijde van 12 V (12VH) levert een bias-spanning aan de VIA-outputdriver voor de hoge voedingsschakelaar, met het gatedrive-niveau op +5,6 V/-5,6 V ten opzichte van het HBU-knooppunt. Gelijkaardige split-driveconfiguraties worden toegepast rond de V- en W-fasecircuits.

Voor de schakelaar aan de lage zijde wordt door de GMR04B00x-module intern een aparte 12VL gegenereerd, waaraan kan worden gerefereerd met het retourknooppunt van de lage zijde van de voeding, ongeacht de polariteit. De VIB-uitgang van de ADUM7223 wordt bijvoorbeeld gesplitst in +5,6 V/-5,6 V door het splitsnetwerk, waardoor de lage GaN-schakelaar correct werkt.

Voor SiC-schakelaars biedt een andere versie van de GMR04B00x-module 15 V, 18 V of 22 V, die in de fabriek kunnen worden ingesteld voor verschillende SiC-schakelaars voor hoog vermogen. De uitgangen van de splitsingsschakelingen leveren ± zwevende bias voor het aansturen van siliciumcarbideschakelaars aan zowel de hoge als de lage zijde ten opzichte van de HBU/V/W hoge knooppunten en op dezelfde manier voor de lage knooppunten van elke polariteit. Raadpleeg het gegevensblad van de GMR04B00x voor beschikbare opties.

Het biasvoedingsregelaar-gedeelte levert, samen met de geïllustreerde LDO’s in afbeelding 1b, voeding aan de andere twee GRM04B00x interfacemodules die rechtstreeks verbonden zijn met de gates op de V- en W-knooppunten. Bovendien biedt de 22 V-uitgang voeding voor analoge controllers, digitale secties en I/O-chips op de printplaat van de gebruiker via LDO’s. Voor hogere vermogensbehoeften kunnen gebruikers de toepassingsnotitie raadplegen voor richtlijnen voor het parallelleren van GMR10Dx-modules.

Opstartproblemen

Het is cruciaal om digitale processoren van een stabiele stroombron te voorzien voordat ze operationeel worden. Hiervoor moet de biasregelaar vanaf een voedingsbron werken die onafhankelijk is van de PFC. De schakeling van de Ganmar-voedingsomvormer verbruikt maximaal 18 watt van de wisselstroombron, wat de faserelaties van de wisselstroomingang minimaal beïnvloedt. De GMR10DX-module ondersteunt een ingangsspanningsbereik van 100 V_DC tot 320 V_DC, het typische bereik voor offline toepassingen.

Voor hogere bronspanningen die vaak voorkomen in toepassingen met hoog vermogen, waar gelijkrichters tot 380 V kunnen produceren, kunt u contact opnemen met de technische ondersteuning van Ganmar voor andere opties binnen de GMR10Dx-serie.

Afbeelding 2 toont een typische 6-diode bruggelijkrichter die geschikt is voor het opstarten van het systeem met deze module. Zodra de AC ingang groter is dan ongeveer 42 V_RMS (60 of 400 Hz), wat resulteert in een 200 V_DC uitgang van de brug met een kleine condensator van 10 µF, beginnen de modules uitgangen te produceren met een maximale vertraging van 70 ms onder omstandigheden met lage belasting. Deze vertraging is aanvaardbaar omdat er geen andere systeemblokken stroom verbruiken tijdens het opstarten.

Als de AC-ingangen tijdens voorbijgaande gebeurtenissen ervoor zorgen dat de uitgang van de 6-diode bruggelijkrichter het veilige werkingsbereik van de convertermodule overschrijdt, schakelt de module uit tot de gelijkgerichte spanning terugkeert naar een veilig niveau. Bovendien wordt een onderspanningsbeveiliging geactiveerd als de gelijkgerichte spanning onder 100 V zakt.

Afbeelding 2: Maximaal 18 W direct onttrekken aan de AC-ingang voor opstarten en leveren van bias-spanning. (Bron afbeelding: Ganmar Technologies)

Input filteren

Voedingsschakelmodules, zoals de GRM10Dx, vertonen een ‘negatieve’ impedantiekarakteristiek ten opzichte van hun ingangsvoedingsbronnen. Deze eigenschap vereist een zorgvuldig filterontwerp om stabiliteit bij de interface te garanderen. Hoewel het gedetailleerde ontwerp van ingangsfilters uitvoerig wordt behandeld in verschillende rapporten en publicaties, geeft dit artikel een kort overzicht van de ingangskarakteristieken van de GRM10Dx-module.

Voor een typische 15 W constante vermogensbelasting door GaN-aandrijving, met een gelijkrichterspanning van 200 V en een efficiëntie van 0,85, wordt de equivalente impedantie berekend als 200²/(15/η)|, wat resulteert in ongeveer 3,14 k? Deze impedantie is relatief hoog vergeleken met de bronimpedantie, waardoor het vereiste filter deze gemakkelijker effectief kan omzeilen. Het is wel aan te raden om een dempingscondensator van 10 µF/400 V in de buurt van de GRM10Dx-module te plaatsen. De module zelf bevat een condensator van 0,47 µF om onmiddellijke stroompieken van interne schakelgebeurtenissen op te vangen. De equivalente serieweerstand (ESR) van de externe condensator is niet kritisch, mits het hoofd-PFC-filter voldoende demping biedt.

Ganmar Technologies levert ook een legacy AC-ingangsbruggelijkrichtermodule, compleet met zekering en EMI-filter, voor eenvoudige integratie met de GRM10Dx-module. Dit vereenvoudigt het aansluiten op de wisselstroombron. Neem contact op met de technische ondersteuning van Ganmar voor meer informatie over de integratie van deze module.

Driver-biasing

Afbeelding 3: Aansluiting voor 3-fase. (Bron afbeelding: Ganmar Technologies)

Afbeelding 4: De GMR10D000-module. (Bron afbeelding: Ganmar Technologies)

Afbeelding 3 en 4 tonen het schema en een foto van de GMR10D000-module, een geïsoleerde DC/DC-converter die 15 W kan leveren met dubbele uitgangen. V_OUT1 levert 6,5 V bij 3 W, terwijl V_OUT2 22 V levert bij 12 W. Beide uitgangen bereiken hun stationaire toestand binnen 10 ms. In dit gedeelte wordt uitgelegd hoe de functies in afbeelding 1 op de GMR10Dx-componenten kunnen worden aangesloten om de gewenste functionaliteit en prestaties te verkrijgen.

Afbeelding 5: Functioneel schema van de drive-zijde van de module (getoond met GMR10D005). (Bron afbeelding: Ganmar Technologies)

Afbeelding 5 illustreert de module-interconnecties van meerdere GMR10Dx-modules om de functies van de biasvoedingsregelaar uit te voeren. In deze paragraaf wordt een gedetailleerde uitleg gegeven van de toepassing van GMR04B008 in de context van het HS-U-blok. De andere twee modules kunnen eenvoudig worden gerepliceerd door ‘referentie-returns’ te verbinden die overeenkomen met hun respectievelijke knooppunten.

Afbeelding 6: GMR04B00x intern schema met floating gatevoeding en directe aandrijvingen. (Bron afbeelding: Ganmar Technologies)

Afbeelding 6 toont de beschikbaarheid van 22 V-voeding ten opzichte van het vaak als referentie gebruikte massaknooppunt GNDS.

Eisen voor voedingsinterface

Zoals afbeelding 6 laat zien, wordt in GaN-systemen over het algemeen aanbevolen om een negatieve bias-spanning toe te passen om GaN-voedingscomponenten uit te schakelen, vooral bij hard schakelende topologieën waar de stroom hoger is dan 30 A. Afbeelding 7 geeft grafieken die deze aanpak demonstreren (met dank aan het Infineon-webinar).

Afbeelding 7: Effecten van V_EE op de uitschakeldynamiek. (Bron afbeelding: Infineon)

Implementatie en in-/uitschakelkarakteristieken – De implementatie van splitters voor Infineon-componenten in de module zorgt voor efficiënte in- en uitschakelspanningen en minimaliseert de verliezen bij de uitschakeling. De split-drivegolfvormen en het GS66xx-ontwerp van Infineon dragen bij aan een verbeterde efficiëntie, naast een uniek transformatorontwerp dat rinkelpieken tijdens het uitschakelproces van de GS66xx vermindert.

Inschakelen/uitschakelen

Voor een volledige inschakeling is een 5,6 V gatedrive nodig, met minimale parasitaire inductantie en capacitieve koppeling tussen gevoelige schakelknooppunten en sporen. Het is essentieel dat de richtlijnen van de GaN-leverancier voor de juiste plaatsing en routing van circuits worden gevolgd.

Tijdens turn-off moet de gate-source spanning (V_GS) beduidend lager zijn dan de drempelspanning (V_TH), met een referentieniveau van ongeveer 0 V in de hier besproken schakelingen. Dit artikel gaat uit van het gebruik van het ADUM7223-gatedriver-IC van Analog Devices. Het is belangrijk op te merken dat de uitgangsonderspanningsvergrendeling (UVLO) van de driver 5 V is, waardoor hij geschikt is voor de 5,6 V gatedrive die nodig is voor GaN-apparaten. De vermogensdissipatie door de driver voor deze GaN kan worden berekend met behulp van de datasheet van de driver:

Uitgaande van een schakelfrequentie van 250 kHz kan P_D worden berekend met de onderstaande waarden:

De driverconfiguratie resulteert in een dissipatie van 100 mW, wat ruim binnen de mogelijkheden van de GMR10Dx- en GMR04B00x-modules ligt. De GMR10Dx-module kan aanzienlijk meer vermogen leveren dan nodig is voor de driver, waardoor een robuuste voeding voor de werking gegarandeerd is.

HV GaN-opstelling voor driver

De GMR10Dx-module levert de nodige bias-spanning voor zowel de hoge als de lage GaN-drivers in een halfbrug- of HB-configuratie. Afbeelding 8 toont de aansluitingen voor de GaN-drivers vanaf de splitters.

Een juiste referentie van de bias returns is cruciaal om onregelmatig schakelgedrag en potentiële schade aan de GaN-componenten te voorkomen. Gebruikers moeten de richtlijnen en aanbevelingen volgen in de specifieke GaN-datasheets en toepassingsadviezen om een correcte en veilige werking te garanderen. Extra richtlijnen zijn te vinden in de application notes van het gegevensblad van de GMR04Bx dual directe driver geïntegreerde module.

Afbeelding 8: Totempoolopstelling en klassieke halfbrugconfiguratie met split drive directe verbindingen met GaN-schakelaars. (Bron afbeelding: Ganmar Technologies)

De GMR04B00x-module levert de benodigde zwevende bias-spanning voor de hoge GaN-schakelaar gatedriver, waardoor er geen extra schakelingen zoals een vliegende bootstrapcondensator nodig zijn om de vereiste bias-spanning te genereren.

Met de GMR04B00x-modules kunnen de zwevende gatedrive-spanningen rechtstreeks worden aangesloten op de gates van zowel de hoge als de lage GaN-schakelaars, waardoor een stabiele ±5,6 V-gatedrive ontstaat. Deze aanpak vereenvoudigt het ontwerp doordat de controller het lage component niet hoeft te schakelen om de bias voor de hoge gatedriver te genereren.

Door gebruik te maken van de GMR04B00x-modules kunnen de gewenste gatedrive-spanningen worden bereikt voor zowel de hoge als lage GaN-schakelaars zonder de complexiteit en extra componenten die nodig zijn bij andere biasing-methodes.

Het legacy bootstrapschema zoals in afbeelding 9 wordt getoond, heeft verschillende nadelen, waaronder de noodzaak voor extra componenten zoals diodes en niet-polaire condensatoren, waarvan de waarden mogelijk moeten worden aangepast op basis van de specifieke vereisten van GaN of andere componenten. Opstartproblemen en het ontbreken van een zogenaamde ‘stiff bias’ zijn belangrijke aandachtspunten bij deze aanpak. Bovendien is het legacy bootstrapschema niet compatibel met bipolaire HB-knooppunten.

Afbeelding 9: Legacy schema voor zwevende gatedriver bias. (Bron afbeelding: Ganmar Technologies)

Daarentegen benadrukt de compacte lay-out van de GMR10Dx- en GMR04B00x-modules, samen met de bijbehorende uitbreidingen, hun ruimtebesparende voordelen. Hierdoor is dit een praktische oplossing voor toepassingen die efficiënte biasing en de juiste referentie vereisen.

Stroomdetectie

Afbeelding 10 en 11 illustreren de integratie van stroomdetectie met behulp van shuntweerstanden met de GMR10Dx- en GMR04B00x-modules. Shuntweerstanden worden vaak gebruikt om de stroom door een circuit te meten en te bewaken. Door deze weerstanden strategisch in het stroomtraject te plaatsen, kan de spanningsval hierover worden gemeten en gebruikt om de stroom te berekenen.

In de context van de GMR-modules worden shuntweerstanden voor het meten van stroom in serie geschakeld met de belasting of een geïsoleerde stroommeetmodule met hoge bandbreedte. Deze opstelling zorgt voor nauwkeurige stroomdetectie en -bewaking. De GMR-modules leveren de noodzakelijke zwevende of naar massa gerefereerde bias-spanningen en voeding om de stroommeetsystemen te ondersteunen, waardoor betrouwbare en nauwkeurige metingen gegarandeerd worden.

Door stroomdetectie op te nemen in het systeemontwerp kunnen gebruikers waardevolle informatie verzamelen over stroomniveaus en de prestaties van het circuit of systeem bewaken. Dit is vooral handig in toepassingen die een nauwkeurige stroomregeling of -beveiliging vereisen, zoals motorbesturing, vermogenselektronica of systemen voor duurzame energie.

Afbeelding 10: Legacy shuntweerstand stroomdetectie. (Bron afbeelding: Ganmar Technologies)

Afbeelding 11: GMRCS000 niet-dissipatieve stroomdetectie. (Bron afbeelding: Ganmar Technologies)

Ganmar Technologies levert de GMRCSN000- en GMRCSP000-modules als compacte, geïsoleerde, niet-dissipatieve stroomsensoroplossingen. Deze modules bieden geïsoleerde stroomdetectie met hoge bandbreedte zonder dat er extra shuntweerstanden in het stroomtraject nodig zijn. Dit elimineert vermogensverliezen en vereenvoudigt het ontwerp.

De GMRCSN000- en GMRCSP000-modules detecteren de stroom die door het circuit loopt en bieden twee uitgangspolariteiten: 0 naar +Vsense en -Vsense naar 0. Deze uitgangsbereiken zijn geschikt voor directe interfacing met de ADC (analoog-digitaal-converter) van embedded controllers of voor analoge controllers die worden gebruikt in brugloze PFC-toepassingen.

Het gebruik van de GMRCSN000- of GMRCSP000-modules vereenvoudigt de implementatie van stroomdetectie, bespaart kostbare printplaatruimte en zorgt voor nauwkeurige en geïsoleerde stroommetingen. Voor meer informatie over deze modules en de bijbehorende onderdeelnummers kunt u contact opnemen met de technische ondersteuning van Ganmar Technologies voor gedetailleerde hulp en begeleiding bij integratie.

Conclusie

Dit artikel biedt een uitgebreide ontwerpbenadering voor het opstarten en versterken van systemen met behulp van de GMR10Dx- en GMR04B00x-modules in combinatie met GaN-schakelaars voor hoog voltage en hoog vermogen. Het artikel richt zich op GaN-schakelaars van Infineon, die vaak worden gebruikt in toepassingen zoals 3-fasemotoren, 3-fase-omvormers en Level 3 EV-laders.

Het ontwerp biedt verschillende voordelen ten opzichte van legacy benaderingen, waaronder verbeterde betrouwbaarheid, compactheid en efficiëntie. De GMR10Dx- en GMR04B00x-modules bieden een veelzijdige en robuuste oplossing voor het opstarten en leveren van een bias-spanning voor het systeem en bieden rechtstreekse verbindingen met de gates van deze schakelaars.

Daarnaast introduceerde het artikel de GMRCSN000- en GMRCSP000-modules voor een compacte, niet-dissipatieve stroomdetectie-oplossing met flexibele uitgangsmogelijkheden. Deze modules vereenvoudigen de implementatie van stroomdetectie en bieden nauwkeurige, geïsoleerde stroommetingen.

Door gebruik te maken van de ontwerpbenaderingen en oplossingen die in dit artikel worden gepresenteerd, kunnen ontwerpers de prestaties en betrouwbaarheid van hun systemen met GaN-schakelaars aanzienlijk verbeteren. Bovendien kunnen ze profiteren van de expertise en ondersteuning van Ganmar Technologies.