Optimering af effektregulatorer i industriel motorstyring med GMR10Dx-moduler til flerfasede forspændingsløsninger

Denne artikel omhandler designudfordringerne og de vigtigste overvejelser i forbindelse med udviklingen af en pålidelig og sikker flerfaset effektregulator. Den benytter det isolerede DC/DC-konvertermodul GMR10Dx med flydende udgange, parret med Ganmar Technologies' højt integrerede effektmoduler med dobbelt bredt båndgab til gate-driver switche. Designet og konstruktionen af disse moduler er optimeret til at opfylde systemkrav til pålidelighed, sikkerhed, EMI og termisk styring.

Der præsenteres et illustrativt systemeksempel med en trefaset vekselstrømsindgang, der forsyner et PFC-trin (Power Factor Correction), efterfulgt af en PWM-kontrolleret tung belastning som f.eks. en industrimotor. Designet er især fokuseret på at drive højspændings-GaN-switche fra Infineon (tidligere GaN Systems), hvilket giver en praktisk kredsløbsløsning. Begrænsninger i traditionelle metoder til styring af totempæl switches med halvbro (HB) behandles, og alternative løsninger til styring af både øvre og nedre switches undersøges. Der præsenteres praktiske kredsløbsdesigns, som sikrer pålidelig og sikker drift, samtidig med at pladskravene minimeres. Derudover dækker denne artikel strømsensorer med lavt tab og høj båndbredde for at forenkle designprocessen yderligere.

Dagens designmiljø byder på mange udfordringer, herunder behovet for kompakt hardware, reduceret strømforbrug til effektiv køling, øget pålidelighed med optimeret termisk styring og omkostningseffektive løsninger. De kompliceres yderligere af stramme budgetter og kortere udviklingstider. For at løse disse udfordringer introducerer denne artikel standardundersystemer og byggeblokke, der hjælper designteams med at udnytte ekspertisen og overholdelsen hos leverandører af undersystemer.

Ved at bruge Ganmar Technologies' strømkonverter- og interfacemoduler tilbyder denne artikel en optimal løsning på disse designudfordringer. De medfølgende moduler muliggør effektiv udvikling af et flerfaset gate-driversystem, mens deres standardiserede formfaktor sparer værdifuld plads på hovedkortet.

Design af en forspændingseffektregulator til et generelt 3-faset højspændings- og højeffektsystem ved hjælp af GMR10Dx

Dette afsnit beskriver designovervejelserne for at skabe en forspændingseffektregulator i et højspændings- og højeffektsystem ved hjælp af GMR10Dx DC/DC-konvertermoduler sammen med den flydende gate-drive forspænding, der leveres af GMR04B00x-modulerne. Som vist i figur 1a kan systemet omfatte en PWM-styret tung belastning, f.eks. en industrimotor, der indeholder flere switche og kræver flere forspændinger til forskellige funktionsblokke. Nedenfor er de vigtigste antagelser for designet:

• EMI-overvejelser: Systemet kræver en effektfaktor nær 100 %, hvilket nødvendiggør brug af en PFC.
• Opstartslogik: PFC'en indeholder en processor, som kræver uafhængig opstartslogik for forspændingsomformere.
• Strømspredning: At reducere strømforbruget i regulatorens elektronik er afgørende for pålideligheden og for at forenkle kravene til kølesystemet.
• Brug af hyldevarer: Designet maksimerer brugen af lettilgængelige komponenter.

Figur 1a viser en overordnet systemkonfiguration til visuel reference i de efterfølgende designdiskussioner.

Figure 1a: Forspænding og opstart af industrielt styresystem til høj belastning. (Billedkilde: Ganmar Technologies)

Med henvisning til blokdiagrammet i figur 1a vil dette afsnit fokusere på design af forspændingseffektregulatoren og dens integration med det overordnede system. Designmulighederne vil blive udforsket for hver funktion, undtagen PFC- og PWM-regulatoren, da der er behov for mere specifik information om kravene til systemgrænsefladen for at behandle disse funktioner grundigt. Derfor vil denne artikel ikke dække disse komponenter i detaljer. Det antages, at systemet anvender højspændings-GaN-switche, såsom GS66516T fra Infineon, selvom overvejelser om alternative switch-teknologier, såsom SiC eller bipolære switche, også vil blive diskuteret.

Derudover vil denne artikel vise de højt integrerede, selvforsynende flydende gate-drivermoduler fra Ganmar Technologies, specifikt GMR04B00x. "x" i modelnummeret angiver forskellige muligheder for dobbelt gate-driver-chip. Se databladet for GMR04B00x for detaljerede specifikationer og muligheder.

Forspændingseffektregulator

Forspændingseffektregulatoren er designet til at give brownout-beskyttelse ved lave AC-indgangsværdier (UVLO) og give en uafbrudt nedlukning, hvis AC-indgangene overskrider den maksimale indstillede grænse (OVLO). Når AC-indgangen er inden for sikre driftsværdier, genererer GRM10Dx-modulet isolerede DC-udgange ved fælles spændinger, typisk 6 V og 22 V. I større systemer kan det være nødvendigt med yderligere spændingsformer. Figur 1b viser en typisk konfiguration til at opnå disse spændinger. En strømbesparende 5 V-udgang bruges til at drive den dobbelte gate-driverchip i GMR04B00x-modulet, nærmere bestemt Analog Devices ADUM7223. Se databladet for GMR04B00x for andre tilgængelige muligheder.

Figur 1b: Typiske former for limkredsløb afledt af GMR10Dx. (Billedkilde: Ganmar Technologies)

GMR04B00x-modulet forsyner internt sin flydende side med strøm for at give to 12 V-forspændinger. Høj side 12 V (12VH) forspænder VIA-udgangsdriveren til den øverste strømafbryder, med gate-drive-niveauet på +5,6 V/-5,6 V i forhold til HBU-noden. Lignende opdelte drevkonfigurationer anvendes omkring V- og W-fasekredsløbene.

Til kontakten på undersiden genereres en separat 12VL internt af GMR04B00x-modulet, som kan refereres til med lav side effekt returnode af enhver polaritet. ADUM7223's VIB-udgang er f.eks. opdelt i +5,6 V/-5,6 V af splitternetværket, hvilket sikrer, at den nederste GaN-switch fungerer korrekt.

Til SiC-switches giver en anden version af GMR04B00x-modulet 15 V, 18 V eller 22 V, som kan fabriksindstilles til at passe til forskellige SiC-switches med høj effekt. Udgangene fra opdelingskredsløbet giver ± flydende forspænding til at drive siliciumkarbidkontakter på både høj- og lavsiden i forhold til de øvre HBU/V/W-knudepunkter og på samme måde for de nedre knudepunkter af enhver polaritet. Se databladet for GMR04B00x for tilgængelige muligheder.

Sektionen med forspændingseffektregulatorer, giver sammen med de illustrerede LDO'er i figur 1b strøm til de to andre GRM04B00x-grænseflademoduler, der er forbundet direkte til gates ved V- og W-knudepunkterne. Derudover kan 22 V-udgangen forsyne analoge regulatorer, digitale sektioner og I/O-chips på brugerens kort via LDO'er. Ved behov for højere effekt kan brugerne konsultere applikationsbemærkningen for vejledningen for parallelkobling af GMR10Dx-moduler.

Problemer med opstart

Det er afgørende at sikre en stabil strømkilde til digitale processorer, før de tages i brug. Det kræver, at forspændingsregulatoren drives fra en strømkilde, der er uafhængig af PFC'en. Ganmar effektregulatorkredsløb bruger op til 18 watt fra vekselstrømskilden, hvilket minimalt påvirker vekselstrømsindgangens faseforhold. GMR10DX-modulet understøtter et indgangsspændingsområde på 100 V_DC til 320 V_DC, hvilket dækker det typiske område for off-line applikationer.

For højere kildespændinger, der ofte forekommer i applikationer med høj effekt, hvor ensrettere kan producere op til 380 V, bedes du kontakte Ganmar teknisk support for andre muligheder inden for GMR10Dx-serien.

Figur 2 viser en typisk 6-diode-broensretter, der egner sig til systemopstart med dette modul. Når AC-indgangen overstiger ca. 42 V_RMS (60 Hz eller 400 Hz), hvilket resulterer i en 200 V_DC-udgang fra broen med en lille 10 µF-kondensator, begynder modulerne at producere udgange med en maksimal forsinkelse på 70 ms under lave belastningsforhold. Denne forsinkelse er acceptabel, da ingen andre systemblokke bruger strøm under opstarten.

Hvis vekselstrømsindgangene får 6-diodebroens ensretterudgang til at overskride omformermodulets sikre driftsområde under transiente hændelser, vil modulet lukke ned, indtil den ensrettede spænding vender tilbage til et sikkert niveau. Derudover aktiveres en brownout-beskyttelse mod underspænding, hvis den ensrettede spænding falder til under 100 V.

Figur 2: Trækker maksimalt 18 W fra AC-indgangen direkte til opstart og forspænding. (Billedkilde: Ganmar Technologies)

Filtrering af input

Effektmoduler som GRM10Dx udviser en "negativ" impedans-karakteristik over for deres input-strømkilder. Denne egenskab kræver et omhyggeligt filterdesign for at sikre stabilitet ved grænsefladen. Mens detaljeret design af indgangsfiltre er dækket grundigt i forskellige rapporter og publikationer, giver denne artikel et kort overblik over GRM10Dx-modulets indgangskarakteristik.

For en typisk 15 W konstant effektbelastning på grund af GaN-driving, med en ensretterspænding på 200 V og en effektivitet på 0,85, beregnes den ækvivalente impedans som |200²/(15/η)|, hvilket resulterer i ca. 3,14 kΩ. Denne impedans er relativt høj sammenlignet med kildeimpedansen, hvilket gør det lettere for det nødvendige filter at omgå den effektivt. Det anbefales dog at installere en dæmpningskondensator på 10 µF/400 V tæt på GRM10Dx-modulet. Selve modulet indeholder en 0,47 µF kondensator til at håndtere øjeblikkelige strømspidser fra interne switching-begivenheder. Den eksterne kondensators ESR-værdi (Equivalent Series Resistance) er ikke kritisk, forudsat at PFC-hovedfilteret giver tilstrækkelig dæmpning.

Ganmar Technologies leverer også et ældre AC-indgangs-broensrettermodul, komplet med en sikring og et EMI-filter, til nem integration med GRM10Dx-modulet. Dette forenkler processen med at tilslutte til AC-kilden. For detaljer om integration af dette modul, kontakt venligst Ganmar teknisk support.

Forspænding af driver

Figur 3 og 4 viser skemaet og et foto af GMR10D000-modulet, en isoleret DC/DC-konverter, der kan levere 15 W med to udgange. V_OUT1 giver typisk 6,5 V ved 3 W, mens V_OUT2 giver 22 V ved 12 W. Begge udgange når deres steady-state inden for 10 ms. Dette afsnit forklarer, hvordan man forbinder de funktioner, der er illustreret i figur 1, med GMR10Dx-enhederne for at opnå den ønskede funktionalitet og ydeevne.

Figur 3: Tilslutning 3-fase. (Billedkilde: Ganmar Technologies)

Figur 4: GMR10D000-modulet. (Billedkilde: Ganmar Technologies)

Figur 5 illustrerer modulforbindelserne mellem flere GMR10Dx-moduler for at opfylde funktionerne i forspændingseffektregulatoren. I dette afsnit gives en detaljeret forklaring på anvendelsen af GMR04B008 i forbindelse med HS-U-blokken. De to andre moduler kan nemt replikeres ved at forbinde reference-returneringer, der svarer til deres respektive noder.

Figur 5: Funktionsskema for modulets drivside (vist med GMR10D005). (Billedkilde: Ganmar Technologies)

Figur 6 viser tilgængeligheden af 22 V strøm i forhold til den almindeligt refererede "jord” GNDS-node.

Figur 6: Internt GMR04B00x-plan med flydende gate-strøm og direkte drev. (Billedkilde: Ganmar Technologies)

Krav til effekttrinnets grænseflade

Som vist i figur 6 anbefales det generelt i GaN-systemer at anvende en negativ forspænding for at slukke for GaN-strømforsyninger, især i hårde switching-topologier, hvor strømmen overstiger 30 A. Figur 7 viser illustrative plots (venligst udlånt fra Infineons webinar), der demonstrerer denne tilgang.

Figur 7: Effekten af V_EE på slukningsdynamikken. (Billedkilde: Infineon)

Implementering og tændings-/slukningskarakteristik - Modulets implementering af splittere til Infineon-enheder sikrer effektive tændings- og slukningsspændinger, samtidig med at off-transition-tabene minimeres. De opdelte drivebølgeformer og Infineons GS66xx-design bidrager til forbedret effektivitet sammen med et unikt transformatordesign, der reducerer ringetoppe under GS66xx's slukningsproces.

Tænd/sluk

For en komplet tænding kræves et 5,6 V gate-drive med minimal parasitisk induktans og kapacitiv kobling mellem følsomme koblingsnoder og spor. Det er vigtigt at overholde GaN-leverandørens retningslinjer for korrekt placering og routing af kredsløb.

Under slukning skal gate-source-spændingen (V_GS) være betydeligt lavere end tærskelspændingen (V_TH), med et referenceniveau på ca. 0 V i de kredsløb, der diskuteres her. Denne artikel forudsætter brug af ADUM7223 Gate-driver-IC fra Analog Devices. Det er vigtigt at bemærke, at driverens UVLO (Under Voltage Lockout) er 5 V, hvilket gør den velegnet til det 5,6 V gate-drive, der kræves af GaN-enheder. Driverens effektafgivelse for denne GaN kan beregnes ved hjælp af driverens datablad:

Hvis man antager 250 kHz switching og værdierne nedenfor, kan A P_D beregnes:

Driverkonfigurationen resulterer i et strømforbrug på 100 mW, hvilket ligger inden for GMR10Dx- og GMR04B00x-modulernes kapacitet. GMR10Dx-modulet er i stand til at levere betydeligt mere strøm end krævet til driveren, hvilket sikrer en robust strømforsyning til dens drift.

HV GaN-opsætning til driver

GMR10Dx-modulet leverer de nødvendige forspændinger til både de øvre og nedre GaN-drivere i en halvbro (HB)-konfiguration. Figur 8 viser forbindelserne til GaN-driverne fra splitterne.

Korrekt referencering af forspændingsstrømme er afgørende for at forhindre uregelmæssig switching-adfærd og potentiel skade på GaN-enhederne. Brugere skal overholde retningslinjerne og anbefalingerne i de specifikke GaN-datablade og applikationsnoter for at sikre korrekt og sikker drift. Yderligere vejledning kan findes i anvendelsesbeskrivelserne i databladet for GMR04Bx dobbelt direkte integrerede drivermodul.

Figur 8: Totempælsarrangement og klassisk halvbrokonfiguration med split drive direkte forbindelser til GaN-switche. (Billedkilde: Ganmar Technologies)

GMR04B00x-modulet leverer den nødvendige flydende forspænding til den øverste GaN-switch gate-driver, hvilket eliminerer behovet for yderligere kredsløb som f.eks. en flyvende bootstrap-kondensator til at generere den nødvendige forspænding.

Med GMR04B00x-modulerne kan de flydende gate-drive-spændinger forbindes direkte til gates på både den øverste og nederste GaN-switch, hvilket giver et stabilt gate-drive på ±5,6 V. Denne tilgang forenkler designet ved at fjerne behovet for, at regulatoren skal switche den nederste enhed for at generere forspændingen til den øverste gate-driver.

Ved at bruge GMR04B00x-modulerne kan man opnå de ønskede gate-drive-spændinger for både de øvre og nedre GaN-switche uden den kompleksitet og de ekstra komponenter, som alternative forspændingsmetoder kræver.

Den gamle bootstrap-ordning som vist i figur 9 har flere ulemper, herunder behovet for ekstra komponenter som dioder og ikke-polære kondensatorer, hvis værdier måske skal justeres baseret på de specifikke krav til GaN eller andre enheder. Opstartsproblemer og manglen på en stiv forspænding er væsentlige problemer med denne tilgang. Derudover er den gamle bootstrap-ordning inkompatibel med bipolare HB-noder.

Figur 9: Legacy floating gate driver forspændingsplan. (Billedkilde: Ganmar Technologies)

I modsætning hertil fremhæver det kompakte layout af GMR10Dx- og GMR04B00x-modulerne sammen med deres tilhørende udvidelser deres pladsbesparende fordele. Det gør dem til en praktisk løsning til applikationer, der kræver effektiv forspænding og korrekt reference.

Strømregistrering

Figur 10 og 11 illustrerer integrationen af strømmåling ved hjælp af shuntmodstande med GMR10Dx- og GMR04B00x-modulerne. Shuntmodstande bruges ofte til at måle og overvåge den strøm, der flyder gennem et kredsløb. Ved at placere disse modstande strategisk i strømbanen kan man måle spændingsfaldet over dem og bruge det til at beregne strømmen.

I forbindelse med GMR-modulerne er shuntmodstande til strømaftastning forbundet i serie med belastningen eller et isoleret strømaftastningsmodul med høj båndbredde. Denne opsætning sikrer nøjagtig strømmåling og -overvågning. GMR-modulerne leverer de nødvendige flydende eller jordrefererede forspændinger og strøm til at understøtte strømsensorsystemerne, hvilket sikrer pålidelige og præcise målinger.

Ved at indarbejde strømmåling i systemdesignet kan brugerne indsamle værdifulde oplysninger om strømniveauer og overvåge kredsløbets eller systemets ydeevne. Det er især nyttigt i applikationer, der kræver præcis strømstyring eller beskyttelse, som f.eks. motorstyring, effektelektronik eller systemer til vedvarende energi.

Figur 10: shuntmodstandsstrømregistrering. (Billedkilde: Ganmar Technologies)

Figur 11: GMRCS000 ikke-afledende strømregistrering. (Billedkilde: Ganmar Technologies)

Ganmar Technologies tilbyder GMRCSN000- og GMRCSP000-modulerne som kompakte, isolerede, ikke-afledende strømsensorløsninger. Disse moduler giver isoleret strømmåling med høj båndbredde uden at kræve yderligere shuntmodstande i strømbanen. Det eliminerer effekttab og forenkler designet.

GMRCSN000- og GMRCSP000-modulerne registrerer den strøm, der flyder gennem kredsløbet, og tilbyder to udgangspolariteter: 0 til +Vsense og -Vsense til 0. Disse udgangsområder er velegnede til direkte interface med ADC'en (Analog-til-Digital Converter) i indlejrede regulatorer eller til analoge regulatorer, der bruges i broløse PFC-applikationer.

Brug af GMRCSN000- eller GMRCSP000-modulerne forenkler implementeringen af strømmåling, sparer værdifuld plads på kortet og sikrer nøjagtige og isolerede strømmålinger. Hvis du vil have flere oplysninger om disse moduler og de tilhørende varenumre, kan du kontakte Ganmar Technologies' tekniske support for at få detaljeret hjælp og integrationsvejledning.

Konklusion

Denne artikel har beskrevet en omfattende designtilgang til systemopstart og forspænding ved hjælp af GMR10Dx- og GMR04B00x-modulerne sammen med GaN-switche med høj spænding og høj effekt. Fokus er på GaN-switche fra Infineon, som ofte bruges i applikationer som 3-fasede motorer, 3-fasede invertere og niveau 3 EV-opladere.

Designet giver flere fordele i forhold til ældre metoder, herunder forbedret pålidelighed, kompakthed og effektivitet. GMR10Dx- og GMR04B00x-modulerne er en alsidig og robust løsning til opstart og forspænding af systemet med direkte forbindelser til gates på disse switche.

Derudover introducerede artiklen GMRCSN000- og GMRCSP000-modulerne, som tilbyder en kompakt, ikke-afledende strømmålingsløsning med fleksible udgangsfunktioner. Disse moduler forenkler implementeringen af strømmåling og giver nøjagtige, isolerede strømmålinger.

For kunder, der er interesserede i at implementere disse designs med Ganmar Technologies' komponenter, er skemaer, styklister og layouts (hvor det er relevant) tilgængelige i KiCad-kompatibelt Altium-format. For yderligere diskussioner, prisforespørgsler og tilgængelighed, kontakt venligst Ganmar Technologies' tekniske support eller salgsteam.

Ved at udnytte de designmetoder og løsninger, der præsenteres i denne artikel, kan designere forbedre ydeevnen og pålideligheden af deres systemer med GaN-switche betydeligt. Derudover kan de drage fordel af den ekspertise og support, der leveres af Ganmar Technologies.