Sådan bruger du GaN-strømforsyningsenheder til fremragende motorinvertere i mellemklassen

Kravet om mere effektiv brug af energikilder, strengere lovkrav og de tekniske fordele ved køligere drift understøtter alle de seneste initiativer til at reducere elmotorers strømforbrug. Selvom switching-teknologier som silicium-MOSFET'er er udbredte, kan de ofte ikke opfylde de kritiske inverterapplikationers mere krævende mål for ydeevne og effektivitet.

I stedet kan designerne nå disse mål ved hjælp af galliumnitrid (GaN), en FET-teknologi med bredt båndgab (WBG), der er blevet forbedret og udviklet med hensyn til pris, ydeevne, pålidelighed og brugervenlighed. GaN-enheder er nu almindelige og er blevet det foretrukne valg til invertere i mellemklassen.

Denne artikel undersøger, hvordan den nyeste generation af GaN-baserede FET'er fra Efficient Power Conversion Corporation (EPC) muliggør højtydende motorinvertere. Der præsenteres evalueringskort, som kan hjælpe designerne med at blive fortrolige med GaN-enhedens egenskaber og fremskynde design.

Hvad er en inverter?

En inverters rolle er at skabe og regulere den strømbølgeform, der driver en motor, som ofte er en børsteløs jævnstrømsmotor (BLDC-type). Den styrer motorens hastighed og drejningsmoment for at sikre jævn start og stop, baglæns kørsel og acceleration, og andre krav. Den skal også sikre, at den ønskede motorydelse opnås og opretholdes på trods af ændringer i belastningen.

Bemærk, at en motorinverter med variabel frekvensudgang ikke må forveksles med en vekselstrømsomformer. Sidstnævnte tager jævnstrøm fra en kilde som f.eks. et bilbatteri for at give en 120/240 volt vekselstrøm i bølgeform med fast frekvens, som tilnærmelsesvis er en sinusbølge og kan bruges til at drive enheder til elnettet.

Hvorfor overveje GaN?

GaN-enheder har attraktive egenskaber i forhold til silicium, herunder højere koblingshastigheder, lavere drain-source ON-modstand (R_DS(ON)) og bedre termisk ydeevne. Lavere R_DS(ON) gør det muligt at bruge dem i mindre og lettere motorer og reducerer effekttab, hvilket sparer energi og omkostninger i applikationer som elcykler og droner. Lavere koblingstab fører til mere effektive motorer, der kan forlænge rækkevidden for lette elektriske køretøjer (EV'er). Hurtigere switchinghastigheder giver mulighed for motorrespons med lav latenstid, hvilket er afgørende for applikationer, der kræver præcis motorstyring, som f.eks. robotteknologi. GaN FET'er kan også bruges til at udvikle mere kraftfulde og effektive motordrev til gaffeltrucks. GaN FET'ernes evne til at håndtere højere strømme gør det muligt at bruge dem til større og kraftigere motorer.

For slutapplikationerne er der økonomiske fordele ved reduceret størrelse og vægt, højere effekttæthed og effektivitet samt bedre termisk ydeevne.

Kom godt i gang med GaN

For at designe med en hvilken som helst switching-strømenhed, især til strømme og spændinger i mellemområdet, kræves der opmærksomhed på enhedens mindste detaljer og unikke egenskaber. GaN-enheder har to interne strukturmuligheder: depletion-mode (d-GaN) og enhancement-mode (e-GaN). En d-GaN-switch er normalt "tændt" og kræver en negativ forsyning; den er mere kompleks at designe ind i kredsløb. I modsætning hertil er e-GaN-switche normalt "slukkede" MOSFET'er, hvilket resulterer i en enklere kredsløbsarkitektur.

GaN-enheder er i sagens natur tovejs og vil begynde at lede, når den omvendte spænding over dem overstiger gate-tærskelspændingen. Da de ikke er designet til at fungere i avalanche-mode, er det desuden vigtigt at have en tilstrækkelig spændingsklassificering. En nominel værdi på 600 volt er generelt tilstrækkelig ved busspændinger på op til 480 volt til buck-, boost- og bridge DC-konverteringstopologier.

Selvom GaN-switche er enkle i deres grundlæggende tænd/sluk-funktionalitet, er de strømforsyninger, så designere skal nøje overveje kravene til tænd- og sluk-drev, switching-timing, layout, virkningen af parasitstrømme, kontrol af strømflow og strøm-modstand (IR)-fald på printkortet.

For mange designere er evalueringskit den mest effektive måde at forstå, hvad GaN-enheder kan gøre, og hvordan man bruger dem. Disse kit bruger individuelle og flere GaN-enheder i forskellige konfigurationer og effektniveauer. De omfatter også de tilhørende passive komponenter, herunder kondensatorer, induktorer, modstande, dioder, temperatursensorer, beskyttelsesanordninger og stik.

Start med enheder med lavere strømforbrug

Et glimrende eksempel på en GaN FET med lavere effekt er EPC2065. Den har en drain-source-spænding (V_DS) på 80 volt, en drain-strøm (I_D) på 60 ampere (A) og en R_DS(ON) på 3,6 milliohm (mΩ). Den leveres kun i passiveret form med loddebaner og måler 3,5 × 1,95 millimeter (mm) (figur 1).

Figur 1: 80 volt, 60 A EPC2065 GaN FET er en passiveret enhed med integrerede loddebaner. (Billedkilde: EPC)

Som med andre GaN-enheder giver EPC2065's laterale enhedsstruktur og majority carrier-diode en usædvanlig lav samlet gateladning (Q_G) og nul omvendt gendannelsesladning (Q_RR). Disse egenskaber gør den velegnet til situationer, hvor meget høje koblingsfrekvenser (op til flere hundrede kilohertz) og lav on-time er fordelagtige, samt til situationer, hvor on-state tab dominerer.

Denne enhed understøttes af to lignende evalueringskit: EPC9167KIT til 20 A/500 watt-drift og det kraftigere EPC9167HCKIT til 20 A/1 kilowatt (kW)-drift (figur 2). Begge er trefasede BLDC motor-drive inverterkort.

Figur 2: Her ses bunden (venstre) og toppen (højre) af EPC9167-kortet. (Billedkilde: EPC)

Den grundlæggende EPC9167KIT-konfiguration bruger en enkelt FET til hver kontaktposition og kan levere op til 15 A_RMS (nominel værdi) og 20 A_RMS (spidsværdi) strøm pr. fase. I modsætning hertil bruger EPC9167HC-konfigurationen med højere strøm to parallelle FET'er pr. kontaktposition og kan levere maksimale strømme op til 20 A_RMS/30 A_RMS (nominel/peak) udgangsstrøm, hvilket viser, hvor relativt let GaN FET'er kan konfigureres parallelt til højere udgangsstrøm. Et blokdiagram over EPC9167-kortet er vist i figur 3.

Figur 3: Her ses et blokdiagram over EPC9167-kortet i en BLDC-drevapplikation; EPC9167HC med højere effekt har to EPC2065-enheder parallelt for hver kontakt, mens EPC9167 med lavere effekt kun har én FET pr. kontakt. (Billedkilde: EPC)

EPC9167KIT indeholder alle de kritiske kredsløb til understøttelse af en komplet motordrevet inverter, herunder gate-drivere, regulerede hjælpestrømskinner til husholdningsforsyninger, spændingsføler, temperaturføler, strømføler og beskyttelsesfunktioner.

EPC9167 passer sammen med en række kompatible controllere og understøttes af forskellige producenter. Den kan hurtigt konfigureres som en inverter til motordrev eller en DC-DC-konverter ved at udnytte eksisterende ressourcer til hurtig udvikling. I den første rolle leverer den flerfaset DC-DC-konvertering, der understøtter pulsbreddemodulation (PWM) med koblingsfrekvenser på op til 250 kilohertz (kHz) i motordrevne applikationer; til ikke-motor DC-DC-applikationer fungerer den op til 500 kHz.

At gå til højere effekt

I den anden ende af effektområdet finder vi EPC2302, en GaN FET klassificeret til 100 volt/101 A og kun 1,8 mΩ R_DS(ON). Den er velegnet til højfrekvente DC-DC-applikationer fra 40 til 60 volt og 48 volt BLDC-motordrev. I modsætning til den passiverede emballage med loddebaner, der bruges til EPC2065, er denne GaN FET anbragt i en QFN-pakke med lav induktans, der måler 3 × 5 mm med en eksponeret top for fremragende termisk styring.

Den termiske modstand til toppen af kabinettet er lav, kun 0,2 °C pr. watt, hvilket resulterer i fremragende termisk adfærd og letter køleudfordringerne. Den eksponerede top forbedrer den termiske styring på oversiden, mens de eksponerende terminaler på siden garanterer, at hele sideoverfladen bliver dækket med loddetin under reflow-loddeprocessen. Det beskytter kobberet og gør det muligt at lodde på dette udvendige flankeområde, så det er nemt at inspicere optisk.

EPC2302 fylder mindre end halvdelen af klassens bedste silicium-MOSFET med tilsvarende R_DS(on) og spændingsværdier, mens dens Q_G og Q_GD er betydeligt mindre, og dens Q_RR er nul. Det resulterer i lavere koblingstab og lavere tab i gate-driveren. EPC2302 arbejder med en kort deadtime på mindre end 10 nanosekunder (ns), hvilket giver højere effektivitet, mens dens nul-værdi Q_RR øger pålideligheden og minimerer elektromagnetisk interferens (EMI).

For at træne EPC2302 understøtter EPC9186KIT evalueringskort til effektstyring af motor-controller/driver motorer på op til 5 kW og kan levere op til 150 A_RMS og 212 A_PEAK maksimal udgangsstrøm (figur 4).

Figur 4: Her ses toppen (venstre) og bunden (højre) af EPC9186KIT 5 kW evalueringskortet til EPC2302. (Billedkilde: EPC)

For at opnå denne højere strømstyrke bruger EPC9186KIT fire parallelle GaN FET'er pr. kontaktposition, hvilket viser, hvor let det er at bruge denne tilgang til at nå højere strømniveauer. Kortet understøtter PWM-switchfrekvenser på op til 100 kHz i motordrevne applikationer og indeholder alle de kritiske funktioner, der understøtter en komplet motordrevet inverter, herunder gate-drivere, regulerede hjælpestrømforsyninger, spændings- og temperaturmåling, nøjagtig strømmåling og beskyttelsesfunktioner.

Konklusion

Motorinvertere er det kritiske bindeled mellem en grundlæggende strømkilde og en motor. At designe mindre, mere effektive og højtydende invertere er et stadig vigtigere mål. Mens designere har valgmuligheder inden for procesteknologi til de kritiske strøm-switching-enheder, som invertere i mellemklassen bruger, er GaN-enheder, som dem fra EPC, den foretrukne løsning.