GaN teljesítményfokozatok

Jó hatásfokú, akkumulátoros áramellátású, szénkefe nélküli egyenáramú motorok vezérlőrendszeréhez

Az olyan akkumulátoros berendezések, mint az együttműködő robotok (a cobot, collaborative robot angol kifejezés rövidítéséből), villanykerékpárok, ipari drónok és villamos szerszámok könnyű és nagy teljesítményű, kis méretű villanymotorokat igényelnek. A szénkefe nélküli egyenáramú motorok (BLDC motorok) jó választásnak bizonyulnak, de a motor vezérlőelektronikája meglehetősen bonyolult, és a tervezőknek számos tervezési szempontot kell figyelembe venniük. A tervezőnek nagy pontossággal kell szabályoznia a nyomatékot, a fordulatszámot és a helyzetet, miközben minimálisra kell csökkentenie a rezgéseket, a zajt és az elektromágneses sugárzást (EMR). Ezenkívül a tömegcsökkentés, a helykihasználás és a költségek megtakarítása érdekében kerülni kell a terjedelmes hűtőbordákat és a külső kábelkötegeket.

Ahogy az gyakran előfordul, a tervezők számára az igazi kihívás a tervezési követelmények, valamint az idő és költségvetés jelentette nyomás egyensúlyba hozása – ráadásul közben el kell kerülniük a költséges fejlesztési hibákat is. Ennek egyik módja, hogy a szénkefe nélküli egyenáramú motorok vezérléséhez szükséges teljesítményfokozatokban kihasználják a gyors, kis veszteségű félvezetőtechnikák, például a gallium-nitrid (GaN) előnyeit.
Ez a cikk a GaN-alapú teljesítményfokozatok viszonylagos előnyeit tárgyalja, és bemutatja az EPC cég egy félhídkapcsolásban megvalósított mintaeszközét. Elmagyarázza, hogyan lehet felhasználni a kapcsolódó fejlesztőkészleteket a projekt gyors elindításához. Ennek során a tervezők megtudhatják, hogyan mérhetik meg a szénkefe nélküli egyenáramú motorok paramétereit, és hogyan működtethetik a szénkefe nélküli egyenáramú motorokat érzékelő nélküli térirányvezérléssel (FOC, field orientation control) a Microchip Technology motorBench Development Suite fejlesztőkészletének segítségével, minimális programozási ráfordítással.

A GaN előnyei

A szénkefe nélküli egyenáramú motorok akkumulátoros készülékekben történő hatékony vezérléséhez a fejlesztőknek jó hatásfokú, könnyű vezérlőfokozatra van szükségük, amelynek kis méretűnek is kell lennie, hogy a lehető legközelebb lehessen elhelyezni a mű­ködtetőelemhez – például a motor házának belsejében. A szigetelt kapus bipoláris tranzisztorok (IGBT, insulated-gate bipolar transistor) erős felépítésűek, és képesek nagy teljesítmény, akár 100 MW kapcsolására is legfeljebb 200 kHz frekvencián, de nem alkalmasak olyan készülékekben való használatra, amelyeknek 80 V feszültségig kell kezelniük az akkumulátorok töltését. A nagy érintkezési ellenállás, a szabadonfutó dióda és a kapcsolási veszteségek, valamint a tranzisztor zárásakor fellépő levágási áram együttesen jeltorzuláshoz, túlzott hőtermeléshez és zavaró sugárzásokhoz vezetnek. A fém-oxid-záróréteges térvezérlésű teljesítménytranzisztorok (MOSFET, metal oxide semiconductor field-effect transistor) gyorsabban kapcsolnak, és az IGBT-khez képest kisebb a kapcsolási és az ohmos veszteségük, de a kapukapacitásuk miatt a nagy kapcsolási frekvencián történő működéshez nagy teljesítményű kapuvezérlőre van szükség. A nagy frekvencián való működés képessége fontos, ugyanis azt jelenti, hogy a tervezők kisebb elektronikus alkatrészeket használhatnak, hogy csökkentsék a teljes helyigényt.
A nagy elektronmozgékonyságú (HEMT, high-electron-mo­bility transistor) GaN-tranzisztorok nagy töltésmozgékonyságuknak köszönhetően rendkívül gyorsan és kis veszteséggel képesek félvezető-átmeneteket létrehozni és lebontani. Az integrált áramkörös (IC kialakítású) GaN vezérlőegységeket, amilyen például az EPC cég EPC23102ENGRT jelű eszköze, rendkívül kis kapcsolási veszteség és nagy kapcsolási frekvencia jellemzi, ami lehetővé teszi kis méretű készülékek kialakítását a legszűkebb helyekre. A monolitikus lapka (chip) tartalmaz egy bemeneti logikai illesztőfelületet logikaiszint-eltolókkal, feszültség-utánhúzással és kapuvezérlő áramkörökkel, amelyek félhídkapcsolásban vezérlik a GaN kimeneti FET-eket (1. ábra). A lapka tokozása nagy hőleadásra és kis parazitainduktivitásra van optimalizálva.

1. ábra Az EPC23102 vezérlőlogikát, logikaiszint-eltolókat, kapuvezérlőket és féhídba kapcsolt GaN kimeneti FET-eket tartalmaz. A lapka tokozása nagy hőleadásra és kis parazitainduktivitásra van optimalizálva (Kép: EPC)

Kevesebb hulladékhő és kisebb elektromágneses sugárzás

Az EPC23102 kimeneti tranzisztorainak jellegzetes nyitóirányú nyelő–forrás (drain–source) ellenállása (R_DS(on)) 5,2 mΩ (25 °C-on). 100 V-ig terjedő feszültséget és legfeljebb 35 A áramerősséget kezel. Ezenkívül a GaN eszközök esetében az oldalirányú szerkezeti elrendezés és a belső dióda hiánya miatt módfelett kicsi a kaputöltés (Q_G) és a záróirányú töltésmennyiség (Q_RR).
Egy hasonló R_DS(on) ellenállású MOSFET eszközzel összehasonlítva a GaN vezérlőegység akár ötödannyi kapcsolási veszteséggel képes működni. Ez lehetővé teszi, hogy a GaN-alapú inverter viszonylag nagy impulzusszélesség-modulációs (PWM) frekvencián (akár 3 MHz) és rövidebb (50 ns alatti) holtidővel működjön.
A nagy kapcsolási sebességek (dV/dt) és a GaN félvezetők kis hőmérsékleti együtthatója a kisebb parazitainduktivitású tokozással együtt minimálisra csökkenti a jel torzítását, és ennélfogva az elektromágneses sugárzást és a kapcsolási veszteségeket. Ez csökkenti a szűrési stratégiák szükségességét, miközben a kisebb, olcsó kondenzátorok és tekercsek kisebb helyet foglalnak a nyomtatott áramköri lapon. A kis R_DS(on) érintkezési ellenállás mellett a GaN eszközök egyéb előnyei, például a GaN hordozóanyag (szubsztrát) jó hővezető képessége és a tokozás nagy hűtési érintkezőfelülete együttesen lehetővé teszik, hogy a GaN teljesítményfokozatok hűtőborda nélkül is képesek legyenek akár 15 A áram kapcsolására (2. ábra).

2. ábra A hőmér­séklet-emelkedés a fázisáram függvényében egy 25,5 °C környezeti hőmérsékleten használt GaN teljesítményfokozat esetében különböző PWM-frekvenciák mellett (Kép: EPC)

 
Az EPC23102 alacsonyoldali és magasoldali csatornák közötti hatékony logikaiszint-eltolókat is tartalmaz, amelyeket úgy terveztek, hogy lágy és kemény kapcsolási körülmények között is működjenek – még nagy negatív kapocsfeszültségek esetén is –, és elkerüljék a gyors dV/dt tranziensek okozta téves nyitást, beleértve a külső forrásokból vagy szomszédos fázisokból származó tranzienseket is. A belső áramkör tartalmazza a logikai, valamint az utánhúzási és letiltási funkciókat is. A védelmi funkciók megakadályozzák a kimeneti FET-ek nem kívánt kinyitását, ha a tápfeszültségek túl alacsonyak vagy netán hiányoznak.

Azonnal használható motorinverter-fejlesztőkészlet

A háromfázisú, szénkefe nélküli egyenáramú motorok GaN technikával történő üzembe helyezésének legegyszerűbb és leggyorsabb módja az EPC cég EPC9176KIT jelű motorinverter-fejlesztő­készletének használata. A készlet az EPC9176 motor­inverter-kártyából és egy DSP-vezérlőkártyából (a digitális jelfeldolgozást vezérlő kártyából) áll. Része még a készletnek egy rádugható EPC9147E adapter is, amely az ügyfelek által a vezérléshez használni kívánt fő vezérlőegység rádugva történő csatlakoztatását teszi lehetővé. A csatlakozó a következő jeleket továbbítja: 3 db PWM, 2 db kódoló, 3 db U_phase, 3 db I_phase, U_DC, I_DC és 2 db állapotjelző LED.
A referenciatervként használható EPC9176 motorinverter-kártya megkönnyíti a saját vállalaton belüli áramkörtervezést, míg az EPC9147A vezérlőkártya a Microchip Technology motorBench fejlesztőkörnyezetével együtt használva lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy gyorsan, kódolásra vagy programozásra fordított idő nélkül helyezzék üzembe a készüléket.
A háromfázisú, szénkefe nélküli egyenáramú motorokhoz való motorinverter három GaN félhidas EPC23102 vezérlőegységet tartalmaz egyen- és váltakozó áramú motorok és egyenáram-átalakítók vezérléséhez. Legfeljebb 6,6 mΩ R_DS(on) ellenállásával a teljesítményfokozat kis hőveszteséget okoz akár 28 A csúcs- (A_pk) vagy 20 A hatásos (más néven effektív) (A_RMS) terhelőáramú folyamatos üzemben is, akár 100 V kapcsolási feszültség mellett. A többfázisú egyenáram-átalakításra beállított EPC23102 egészen 500 kHz-ig támogatja a PWM kapcsolási frekvenciákat, illetve 250 kHz-ig a motorvezérlési megoldásokat. A 8,1 cm × 7,5 cm méretű EPC9176 motorinverter-kártya tartalmazza a teljes motor­inverter támogatásához szükséges összes kritikus funkcionális áramkört, beleértve az egyenáramú sínek kondenzátorait, a kapuvezérlőket, a szabályozott segédfeszültségeket, a fázisfeszültség-, fázisáram- és hőmérsékletmérést, valamint a védelmi funkciókat és az egyes fázisokhoz tetszőlegesen használható harmonikusszűrőket és elektromágnesessugárzás-szűrőket (3. ábra).

3. ábra Az EPC9176 motorinverter tartalmaz az egyenáramú sínekhez tartozó kondenzátorokat, kapuvezérlőket, feszültségszabályozót, feszültségérzékelőt, áram- és hővédelmi funkciókat, valamint elektromágnesessugárzás-szűrőket is (Kép: EPC)

 
A háromfázisú GaN inverter 14 V és 65 V egyenfeszültség közötti bemenőfeszültségen működik. Túllövés nélkül kapcsol, ami egyenletes nyomatékot és minimális motorfutási zajt eredményez. A kártya a GaN-re jellemző nagy sebességű kapcsolásra van optimalizálva 10 V/ns alatti kapcsolási meredekséggel, és lehetőség van az eszköz egyenáram-átalakítóként történő működésre való beállítására is. Ezenkívül két különböző feszültségszinten működő forgórész-helyzetérzékelő (Hall-érzékelő) is csatlakoztatható hozzá.

Rezgésmentes nyomaték és kis futási zaj

A háromfázisú, szénkefe nélküli egyenáramú motorok egyik megvalósítási példáján szemléltetjük a holtidő-paraméterezés hatását a motor egyenletes működésére és így a zajkeltésre. A GaN FET-ekből készített félhíd magas- és alacsonyoldali FET-jének kapcsolási átmeneténél nagyon rövid lezárási idő választható, mert a GaN HEMT-ek rendkívül gyorsan reagálnak, és nem mutatnak parazitaelemek miatti túllövéseket, mint a lassabb MOSFET-ek. A 4. ábrán balra egy 40 kHz PWM-frekvencia mellett a MOSFET-ekre jellemző 500 ns holtidővel működő GaN inverter kimenőjele látható. A jel, amelynek sima szinuszos fázisáramnak kellene lennie, rendkívül nagy torzítást mutat, ami nagy nyomatékhullámzást és annak megfelelő zajt eredményez. A 4. ábrán jobbra a holtidőt 50 ns-ra csökkentettük, és ezzel szinuszos fázisáramot állítottunk elő, hogy egy sima működésű, nagyon kis zajú motort kapjunk.

4. ábra A MOSFET-ekre jellemző 500 ns-os holtidő 40 kHz-es PWM-frekvencia mellett nagy torzítást okoz a fázisáramban (balra), ami nagy nyomatékhullámzást és magas zajszintet eredményez. 50 ns holtidővel szinuszos fázisáram jön létre (jobbra), így a motor egyenletesen és alacsony zajjal forog (Kép: EPC)

A fázisáram kisebb hullámzása kisebb mágnesezési veszteségeket is jelent az állórésztekercsekben, míg a fázisfeszültség kisebb hullámzása nagyobb felbontást eredményez, valamint a nyomaték és a fordulatszám pontosabb szabályozását teszi lehetővé, különösen a kisebb készülékekben használt kis induktivitású motorok esetében.
A nagyobb teljesítményt igénylő motorvezérlő eszközökhöz két GaN inverterkártya is beszerezhető: az EPC9167HCKIT (1 kW) és az EPC9167KIT (500 W). Mindkettő az EPC2065 GaN FET-et használja, amelynek 3,6 mΩ a legnagyobb R_DS(on) ellenállása és 80 V a legnagyobb eszközfeszültsége. Míg az EPC9167 kártyán minden kapcsolási helyzethez egyetlen FET tartozik, addig az EPC9167HC kártyán két FET dolgozik párhuzamosan, ami maximum 42 A_pk csúcs- (30 A_RMS hatásos) kimenőáramot biztosít. Az EPC2065 GaN FET a motorvezérlő eszközökben akár 250 kHz PWM-frekvencián, egyenáram-átalakítókban pedig maximum 500 kHz kapcsolási frekvencián is használható. Még nagyobb teljesítményt – akár 1,5 kW-ot – tesz lehetővé az EPC9173KIT készletben található inverterkártya. A kártya két önálló EPC23101ENGRT GaN kapuvezérlő IC félhíd ágát képezi. Ezekben az IC-kben csak egy beépített magasoldali teljesítmény-FET van. Ez a kártya feszültségcsökkentő vagy feszültségnövelő feszültségszabályozóvá, félhíddá, teljes híddá vagy LLC áramátalakítóvá bővíthető. Akár 50 A_pk (35 ARMS) kimenőáramot is biztosít, és megfelelő hűtéssel akár 250 kHz PWM kapcsolási frekvencián is működik.

A vezérlőfokozat néhány perc alatt kialakítható és használatba vehető

Az EPC9176 GaN inverterkártyát – kódolás nélkül – a leggyorsabban az EPC9147A vezérlőillesztő kártya használatával lehet kiértékelni. Az MA330031-2 rádugható modul (PIM, plug-in module) a Microchip Technology 16 bites dsPIC33EP256MC506-I-PT digitális adatfeldolgozóját (DSP, digital signal processor) tartalmazza (5. ábra).

5. ábra Az EPC9147A univerzális vezérlőillesztő kártya különböző rádugható modulokat (PIM) képes fogadni, például az MA330031-2 modult, amely a 16 bites dsPIC33EP256 digitális adatfeldolgozóra (DSP) épül (Kép: EPC/Microchip Technology)

 
A digitális adatfeldolgozóhoz tartozó vezérlőillesztő működésének megkönnyítése érdekében a tervezők használhatják a motorBench Development Suite fejlesztőkészletet, amelyet ki kell egészíteniük a következőkkel:
1. MPLAB X IDE_V5.45 és annak ajánlott frissítése,
2. Code Configurator beépülőmodul (DSP-specifikus fordítás),
3. motorBench beépülőmodul 2.35 (motorvezérlési minták).
A példában az EPC9146 GaN motorinverter-kártyát használjuk, ezért:
4. el kell indítani az EPC914xKIT készlethez tartozó, sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X nevű MCLV-2- vagy EPC-projektet.

A felhasználó egyszerűen kiválaszthatja az EPC9146 GaN motorinverter-kártyához tartozó hexadecimális fájlt, és egy prog­ramozóadapterrel, például a Microchip Technology 16 bites mik­rovezérlőkhöz való PG164100 típusú eszközével beolvastathatja a dsPIC33EP256MC506 digitális jelfeldolgozóba. A csatlakoztatott szénkefe nélküli egyenáramú motor (Teknic_M-3411P-LN-08D) ezután kézzel vezérelhető a kezelőszervekkel, és érzékelő nélküli térirányvezérléses üzemmódban működik. Arra az esetre, ha a motor nem működik kielégítően, vagy más üzemállapotra kell beállítani, a motorBench egy beállítható mintafájlt is elérhetővé tett, amelyet a beolvastatás előtt le kell fordítani. A GaN motorvezérlők esetében elemi, de fontos paraméter a fentiekben tárgyaltak szerint az 50 ns vagy annál kisebb holtidő, amelyet feltétlenül ellenőrizni kell a hexadecimális fájl lefordítása előtt.

A szénkefe nélküli egyenáramú motorok egyedi paraméterei

A szénkefe nélküli egyedi egyenáramú motorkonstrukcióknak a motorBench IDE (beépített fejlesztőkörnyezet) segítségével érzékelő nélküli térirányvezérléses üzemmódra történő beállításához a felhasználók megmérhetik a motor egyedi paramétereit, és a vonatkozó értékeket beírhatják egy beállításfájlba. Az ISL Products International cég MOT-I-81542-A motorja például szolgálhat itt tesztmotorként. Körülbelül 361 W teljesítményt fogyaszt 24 V feszültségről, és 6100/perc fordulatszámon (rpm) jár.

Először az alábbi négy motorparamétert kell meghatározni:

• Ohmos ellenállás: az állórésztekercs kapcsai között mérhető multiméterrel.
• Induktivitás: az állórésztekercs kapcsai között mérhető multiméterrel.
• Póluspárok száma: a póluspárok számának meghatározásához a tervezőnek két fázist rövidre kell zárnia, a harmadikat nyitva kell hagynia, aztán kézzel meg kell számolnia a reteszelések számát egy tengelyfordulat alatt, majd az eredményt el kell osztania kettővel.
• Elektromotoros ellenerő (BEMF, back electromotive force): az állórésztekercs kapcsai között mérhető oszcilloszkóppal. Ehhez a tervezőnek a következőket kell tennie:
  • A szondát két fázisvezetékhez kell kapcsolni, a harmadikat üresen hagyni;
  • a motor tengelyét kézzel forgatni kell, és fel kell jegyezni a mért feszültségértéket, végül
  • meg kell mérni a legnagyobb szinusz félhullám A_pp feszültségét (csúcstól csúcsig, amplitúdó) és T_half félperiódusát (6. ábra).

6. ábra Az elektromotoros ellenerő meghatározása a legnagyobb szinusz félhullám csúcstól csúcsig mért A_pp feszültségének (amplitúdó) és T_half félperiódusának mérésével történik (Kép: EPC)

A projektpélda alapján a Microchip a következő paramétereket határozta meg a Teknic M-3411P-LN-08D motorhoz (8,4 ARMS, nyolc pólus, nyomaték = 1 Nm és névleges teljesítmény = 244 W):

• A_pp = 15,836 Vpp,
• T_half = 13,92 ms,
• póluspárok száma: pp = 4,
• a Microchip ezután az 1. egyenlet segítségével kiszámította az elektromotorosellenerő-állandót
  (1000 f/perc = 1 k_rpm):

K_e = 11,785 · pp · A_pp [V] · T_half [s] = 10,096 V_rms/k_rpm (a példamotor esetében)
(a motorBench esetében 10,2 értéket használtunk),

• RL-L = 800 mΩ vonalellenállás, mínusz 100 mΩ az LCR-mérő vezetékei miatt,
• ebben a példában a mért 932 µH érték ellenére az Ld = Lq = 1 mH értéket használjuk.

A meghatározott paramétereket a motorBench Configure/PMSM Motor (Beállítások/Állandó mágneses szinkronmotor) almenüjébe kell beírni. Ehhez a tervezők egyszerűen felhasználhatják egy hasonló motortípus XML beállításfájlját. Másik lehetőségként a paramétereket egy újonnan létrehozott (üres) beállításfájlba is be lehet írni, majd a fájlt az Import Motor (Motor importálása) gombbal lehet importálni.

Összegzés

A GaN motorvezérlő IC-k jó hatásfokú teljesítményt nyújtanak az akkumulátorról működő szénkefe nélküli egyenáramú motorok vezérlése terén, kicsi a méretük és a tömegük. A motorházba beépítve jól védettek, egyszerűsítik a készülék tervezését és felszerelését, és csökkentik a karbantartást. A referencia-áramkörök, az előre programozott modellalapú digitálisjel-feldolgozó vezérlők (DSP-vezérlők) és a motorfejlesztő-környezet segítségével a szénkefe nélküli egyenáramú motoros készülékek tervezői és programozói lerövidíthetik az áramkörök tervezési idejét, és jobban összpontosíthatnak a készülék többi részének fejlesztésére.

Felhasznált forrásanyagok:

Commissioning a Motor for use with EPC motor drives that operate using Microchip motorBench^® Development Suite and EPC9147A-Rev.2.1 (Motor üzembe helyezése a Microchip motorBench^® Development Suite fejlesztőkészlet és az EPC9147A vezérlőkártya (Rev.2.1) használatával működő EPC-motorvezérlőkkel való használathoz)

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
www.digikey.hu
Angol/német nyelvű kapcsolat
Rolf Horn
Application Engineer
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 89 2444 8 x 16817
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.