Sådan integreres GaN-effekttrin til effektive batteridrevne BLDC-motor fremdriftssystemer

Batteridrevne applikationer som f.eks. samarbejdsrobotter (cobots), elektriske cykler, industrielle droner og elværktøj kræver lette og kraftfulde elmotorer med en lille formfaktor. Børsteløse DC-motorer (BLDC) er en god mulighed, men elektronikken til motordrev er ret kompleks med mange designovervejelser. Designeren skal nøje regulere drejningsmoment, hastighed og position og samtidig sikre høj præcision med minimal vibration, støj og elektromagnetisk stråling (EMR). Desuden skal der undgås voluminøse køleprofiler og eksterne ledningsbånd for at spare vægt, plads og omkostninger.

Som det ofte er tilfældet, bliver udfordringen for designere at balancere designkrav med tids- og budgetpres, samtidig med at man undgår dyre udviklingsfejl. En måde at gøre dette på er at udnytte hurtige halvlederteknologier med lavt tab som f.eks. galliumnitrid (GaN) til de effekttrin, der er nødvendige for at drive BLDC-motorerne.

I denne artikel diskuteres de relative fordele ved GaN-baserede effekttrin, og der præsenteres en prøveenhed fra EPC, der er implementeret i en halvbro-topologi. Den forklarer, hvordan man bruger de tilhørende udviklingskits til hurtigt at komme i gang med et projekt. I processen vil designere lære at måle parametrene for en BLDC-motor og betjene den med sensorløs feltorienteringsstyring (FOC) med minimal programmeringsindsats vha. Microchip Technologys motorBench Development Suite.

Fordelene ved GaN

For at kunne styre en BLDC-motor effektivt i batterianvendelser har udviklerne brug for et effektivt, letvægts drivertrin med en lille formfaktor, der kan implementeres så tæt som muligt på aktuatoren. F.eks. inde i motorhuset.

Bipolære transistorer med isoleret gate (IGBT'er) er robuste og kan koble høj effekt på op til 100 megawatt (MW) ved maksimalt 200 kilohertz (kHz), men de er ikke egnede til enheder, der skal håndtere batteriopladning ved spændinger på op til 80 volt. Den høje kontaktmodstand, dioden med fritløbende diode og tabene ved switching samt strømmen under slukning resulterer alle sammen i signalforvrængning, overdreven varmeudvikling og uønskede emissioner.

Metaloxidhalvleder-felteffekttransistorer (MOSFET'er) skifter hurtigere og har lavere switching- og ohmsk tab sammenlignet med IGBT'er, men deres gatekapacitet kræver en kraftig gate-driver for at kunne fungere ved høje switching-frekvenser. Det er vigtigt at kunne operere ved høje frekvenser, da det betyder, at designerne kan bruge mindre elektroniske komponenter for at reducere det samlede pladsbehov.

Med hensyn til GaN-transistorer med høj elektronmobilitet (HEMT'er) gør deres høje ladningsbærermobilitet det muligt for dem at opbygge og nedbryde halvlederforbindelser ekstremt hurtigt og med lave tab. En integreret GaN-driver, som EPC's EPC23102ENGRT, har usædvanligt lave switching-tab og høje switching-frekvenser, hvilket gør det muligt at konstruere kompakte enheder på de mest trange steder. Den monolitiske chip indeholder en indgangslogik-interface med niveauforskiftere, bootstrap-belastning og gate-driverkredsløb, der styrer GaN-udgangs-FET'erne i en halvbro-topologi (figur 1). Chippakken er optimeret med henblik på høj varmeafledning og lav parasitær induktans.

Figur 1: EPC23102 indeholder styrelogik, niveauforskiftere, gate-drivere og GaN-udgangs-FET'er i en halvbro-topologi (til venstre). Chippakken (til højre) er optimeret med henblik på høj varmeafledning og lav parasitær induktans. (Billedkilde: EPC)

Mindre spildvarme og lavere EMR

EPC23102-udgangstransistorerne har en typisk dræn-source on-modstand (R_DS(on)) på 5,2 milliohm (mΩ) (ved 25 °C). De kan håndtere spændinger på op til 100 volt og strømme på op til maksimalt 35 ampere (A). Desuden giver GaN-enhedens laterale struktur og fraværet af en indbygget kropsdiode en usædvanlig lav gate-ladning (Q_G) og omvendt genoprettelsesladning (Q_RR).

Sammenlignet med en MOSFET-enhed med en lignende RDS_(on) opnår GaN-driveren op til fem gange lavere switching-tab. Dette gør det muligt for en GaN-baseret inverter at fungere ved relativt høje PWM-frekvenser (pulsbreddemodulation) op til 3 megahertz (MHz) og med kortere dødtid (under 50 nanosekunder (ns)).

De høje switching-hastigheder (dV/dt) og GaN-halvledernes lave temperaturkoefficient i et pakkedesign med reduceret parasitær induktans minimerer signalforvrængning og dermed EMR- og switching-tab. Dette reducerer behovet for filtreringsstrategier, mens de mindre billige kondensatorer og induktorer sparer plads på printpladen.

Sammen med den lave kontaktmodstand R_DS(on) giver GaN-enhedens andre fordele, såsom GaN-substratets høje varmeledningsevne og komponentpakningens store termiske kontaktflade, GaN-effekttrin mulighed for at skifte strømme på op til 15 ampere (A) uden kølehoved (Figur 2).

Figur 2: Temperaturstigning i forhold til fasestrømmen for et GaN-strømforløb med en omgivelsestemperatur på 25,5 °C og ved forskellige PWM-frekvenser. (Billedkilde: EPC)

EPC23102 har også robuste niveaukonvertere fra lav-side til høj-side kanalerne, der er designet til at fungere under bløde og hårde switching-betingelser, selv ved store negative terminalspændinger - og til at undgå falsk udløsning af hurtige dV/dt-transienter, herunder dem, der stammer fra eksterne kilder eller tilstødende faser. Interne kredsløb integrerer logik- og bootstrap strømopladnings- og deaktiveringsfunktioner. Beskyttelsesfunktioner forhindrer uønsket tænding af udgangs-FET'er, når forsyningsspændingerne er for lave, eller endda fejler.

Et sæt til evaluering af motorinvertere, der er klar til brug

Den nemmeste og hurtigste måde at idriftsætte en trefaset BLDC-motor med GaN-teknologi på er at bruge EPC's EPC9176KIT motorinverter-evalueringssæt. Den består af EPC9176-motor konverter-kortet og et DSP-controller-kort. En simpel EPC9147E controller plug-in adapter til styring via en kundespecifik værtscontroller er også inkluderet. Koblingsstikket bærer følgende signaler: 3 × PWM, 2 × encoder, 3 × U_phase, 3 × I_phase, U_DC, I_DC, and 2 × status LED.

Som et referencedesign letter EPC9176-motor konverterkortet EPC9176 motor inverter-kortet det interne kredsløbsdesign, mens EPC9147A-controllerkortet, når det bruges sammen med Microchip Technologys motorBench-udviklingsmiljø, giver brugerne mulighed for hurtigt at komme i gang uden at skulle bruge tid på kodning eller programmering.

Den trefasede BLDC-motorinverter integrerer tre EPC23102 GaN halvbro-drivere til styring af AC- eller DC-motorer og DC/DC-strømkonvertere. Med en R_DS(on) på maksimalt 6,6 mΩ forårsager effekttrinnet kun et lille varmetab ved belastningsstrømme på op til 28 A peak (A_pk) eller 20 A rms (A_RMS) i konstant drift ved switching-spændinger på op til 100 volt. EPC23102 er konfigureret til flerfaset DC/DC-konvertering og understøtter PWM-skiftefrekvenser på op til 500 kHz og op til 250 kHz til motordrevsapplikationer.

EPC9176-motor konverter-kortet på 8,1 × 7,5 cm indeholder alle de kritiske funktionelle kredsløb, der er nødvendige for at understøtte en komplet motorkonverter, herunder DC-buskondensatorer, gate-drivere, regulerede hjælpespændinger, fasespænding, fasestrøm og temperaturmåling samt beskyttelsesfunktioner og valgfrie harmoniske eller EMR-filtre for hver fase (Figur 3).

Figur 3: EPC9176-motorinverteren har DC-buskondensatorer, gate-drivere, en spændingsregulator, spændingsaflæsning, strøm- og temperaturbeskyttelsesfunktioner og EMR-filtre. (Billedkilde: EPC)

Den trefasede GaN-inverter fungerer ved indgangsspændinger fra 14 til 65 V_DC. Den skifter uden overhøjde, hvilket giver et jævnt drejningsmoment og minimal støj ved drift. Kortet er optimeret til en GaN-typisk switching-stigning ved høj hastighed på under 10 volt pr. ns (V/ns) og kan eventuelt reduceres til at drive en DC/DC-konverter. Desuden kan der tilsluttes to sensorer til rotorposition (Hall-sensorer), der arbejder ved forskellige spændingsniveauer.

Vibrationsfrit drejningsmoment og lav driftsstøj

Et eksempel på implementering af en trefaset BLDC-motor viser virkningen af dødtidsparameterisering på motorens jævne drift og dermed støjgenerering. Låsningstiden ved switching-overgangen mellem høj-side- og lav-side FET'en i en halvbro baseret på GaN FET'er kan vælges meget lille, fordi GaN HEMT'erne reagerer ekstremt hurtigt og ikke producerer parasitære oversvingninger, som det er tilfældet med de langsommere MOSFET'er.

Figur 4 (til venstre) viser en GaN-inverter, der fungerer med en typisk dødtid for MOSFET'er på 500 ns ved en PWM-frekvens på 40 kHz. Det, der burde være en jævn sinusformet fasestrøm, viser ekstremt høj forvrængning, hvilket resulterer i store momentbølger og tilsvarende støj. I figur 4 (til højre) blev dødtiden reduceret til 50 ns, hvilket gav en sinusformet fasestrøm til en jævnt løbende motor med meget lidt støj.

Figur 4: En dødtid på 500 ns ved en PWM-frekvens på 40 kHz (venstre), som er typisk for MOSFET'er, forårsager stor forvrængning i fasestrømmen, hvilket resulterer i store momentbølger og høje støjniveauer. Med en dødtid på 50 ns (til højre) etableres en sinusformet fasestrøm, så motoren roterer jævnt og støjsvagt. (Billedkilde: EPC)

Mindre rippel i fasestrømmen betyder også lavere magnetiseringstab i statorspolerne, mens mindre rippel i fasespændingen giver højere opløsning samt mere præcis styring af drejningsmoment og hastighed, især for motorer med lav induktans, der anvendes i mindre konstruktioner.

Til motordrevsapplikationer, der kræver mere effekt, findes der to GaN-inverterkort: EPC9167HCKIT (1 kilowatt (kW)) og EPC9167KIT (500 watt). Begge bruger EPC2065 GaN FET'en, som har en maksimal R_DS(on) på 3,6 mΩ og en maksimal enhedsspænding på 80 volt. Mens EPC9167-kortet bruger enkelte FET'er til hver skifteposition, har EPC9167HC to FET'er, der arbejder parallelt, hvilket giver en maksimal udgangsstrøm på 42 A_pk (30 A_RMS). EPC2065 GaN FET'en understøtter PWM-skiftefrekvenser på op til 250 kHz i motorstyringsapplikationer og højst 500 kHz i DC/DC-konvertere.

Endnu højere effekt op til 1,5 kW leveres af inverterkortet i EPC9173KIT. Kortet danner halvbroforgreninger af to enkelte EPC23101ENGRT GaN gate driver-IC'er, der kun har én integreret høj-side effekt-FET. Dette kort kan udvides som en buck-, boost-, halvbro-, fuldbro- eller LLC-konverter. Den leverer udgangsstrømme på op til 50 A_pk (35 A_RMS) og fungerer ved PWM-højhastighedskfrekvenser på op til 250 kHz med passende køling.

Få driverfasen op at køre på få minutter

Den hurtigste måde at evaluere EPC9176 GaN-inverterkortet på uden at skulle kode er at bruge EPC9147A controller-interfacekortet. Et plug-in-modul (PIM), MA330031-2, indeholder en dsPIC33EP256MC506-I-PT 16-bit DSP fra Microchip Technology (Figur 5).

Figur 5: EPC9147A universal controller interfacekortet kan rumme forskellige plug-in moduler, såsom MA330031-2 PIM, som er baseret på en 16-bit dsPIC33EP256 DSP. (Billedkilde: EPC/Microchip Technology)

For at lette betjeningen af DSP-controller-interfacet kan designere bruge motorBench Development Suite, som de skal tilføje:

1. MPLAB X IDE_V5.45 og den anbefalede opdatering
2. Code Configurator Plugin (DSP-specifik kompilering)
3. motorBench plugin 2.35 (motoreksempler)

I denne diskussion anvendes EPC9146 GaN-motorinverterkortet i eksemplet, så:

4. Start med et MCLV-2 eller EPC-projekt for EPC914xKIT med navnet "sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X"

Brugeren kan blot vælge den eksemplariske hex-fil til EPC9146 GaN-motor inverterkortet og flashe den ind i DSP dsPIC33EP256MC506 vha. en programmeringsadapter, f.eks. Microchip Technologys PG164100 til 16-bit mikrocontrollere. Den tilsluttede BLDC-motor (Teknic_M-3411P-LN-08D) kan derefter styres manuelt via styringen og fungerer i sensorløs FOC-tilstand.

Hvis motoren ikke kører tilfredsstillende eller skal konfigureres til en anden driftstilstand, indeholder motorBench også en konfigurerbar prøvefil, som skal kompileres før flashing. En elementær, men vigtig parameter for GaN-motordrivere er som nævnt ovenfor en dødtid på 50 ns eller mindre, som absolut skal kontrolleres, før hex-filen kompileres.

Brugerdefinerede parametre for en BLDC-motor

For at konfigurere brugerdefinerede BLDC-motorkonfigurationer til sensorløs FOC-drift vha. motorBench IDE kan brugerne måle deres specifikke motorparametre og indtaste de relevante værdier i en konfigurationsfil. MOT-I-81542-A motoren fra ISL Products International kan f.eks. bruges som testmotor her. Den bruger ca. 361 watt ved drift på 24 volt og 6100 omdrejninger pr. minut (rpm).

Disse fire motorparametre skal først bestemmes:

• Ohmsk modstand: Dette måles mellem statorspolens terminaler vha. et multimeter
• Induktans: Målt mellem statorspolens klemmer med et multimeter
• Stolpepar: For at bestemme polparrene skal designeren kortslutte to faser, lade den tredje fase stå åben og derefter tælle antallet af låse ved en akselomdrejning i hånden og dividere resultatet med
• Elektromotorisk bagudrettet kraft (BEMF): BEMF måles mellem statorspolens klemmer vha. et oscilloskop. For at gøre dette skal designeren:
  • Koble proben til to faseledninger, idet den tredje forbliver åben
  • Drej motorakslen med hånden, og registrer spændingsresponsen
  • Mål spids til spids spænding A_pp og perioden T_half af den største sinushalvbølge (figur 6).

Figur 6: BEMF bestemmes ved at måle spids til spids spænding A_pp og perioden T_half af den største sinushalvbølge. (Billedkilde: EPC)

Med henvisning til ovenstående projekteksempel bestemte Microchip følgende parametre for Teknic M-3411P-LN-08D motoren (8,4 A_RMS, otte poler, drejningsmoment = 1 Newtonmeter (Nm) og en effekt på 244 watt):

• A_pp = 15,836 V_pp
• T_halv = 13,92 ms
• Pol-par: pp = 4
• Microchip beregnede derefter BEMF-konstanten (for 1000 rpm = 1 k_krpm) vha. ligning 1:

 Ligning 1

for dette eksempel motor

(der blev anvendt en værdi på 10,2 for motorBench)

• R_L-L = 800 mΩ linje-til-linje-modstand, minus 100 mΩ på grund af LCR-målerledninger
• L_d = L_q = 1 mH anvendt i dette eksempel, selv om der er målt 932 mikrohenrier (µH)

De bestemte parametre indtastes i motorBench-undermenuen Konfigurer/PMSM-motor. For at gøre dette kan designere blot bruge XML-konfigurationsfilen for en lignende motortype. Alternativt kan parametrene indtastes i en nyoprettet (tom) konfigurationsfil, som kan importeres via knappen "Import Motor".

Konklusion

GaN-motordriver-IC'er opnår højeffektiv ydeevne i batteridrevne BLDC-motordrev med en lille formfaktor og lav vægt. De er integreret i motorhuset, er godt beskyttet, forenkler enhedens design og installation og reducerer vedligeholdelse.

Med støtte fra referencekredsløb, forprogrammerede modelbaserede DSP-controllere og et motorudviklingsmiljø kan designere og programmører af BLDC-motorapplikationer forkorte designtiden for kredsløb og fokusere mere på applikationsudvikling.