Kiváló teljesítményű inverterek GaN tranzisztorokkal
Az energiaforrások jobb hatásfokú felhasználására való törekvés, a szigorúbb szabályozási előírások és az alacsonyabb üzemi hőmérsékleten történő működés műszaki előnyei mind azon legújabb kezdeményezések mellett szólnak, amelyek a villanymotorok által felhasznált energiamennyiség csökkentését célozzák. Bár a különböző kapcsolóüzemű tranzisztorok – például a szilícium MOSFET-ek – széleskörűen elterjedtek, gyakran nem alkalmasak arra, hogy megfeleljenek az inverterek nagyobb teljesítményt és jobb hatásfokot igénylő fontos követelményeinek.
A tervezők a gallium-nitrid (GaN) -alapú, széles tiltott sávú FET-ek segítségével érhetik el a nagyobb teljesítményt és a jobb hatásfokot, amelyek mára igen sokat javultak és fejlődtek a költségek, a teljesítmény, a megbízhatóság és a használat egyszerűsége szempontjából. A GaN eszközök mostanra már általánosan elterjedt és előszeretettel használt eszközökké váltak a közepes teljesítményű inverterekben.
Ez a cikk azt vizsgálja, hogy az Efficient Power Conversion Corporation (EPC) legújabb generációs GaN-alapú FET-jei hogyan teszik lehetővé nagy teljesítményű villanymotor-inverterek készítését. Emellett bemutatja azokat a fejlesztőkártyákat, amelyek segítenek a tervezőnek megismerni a GaN eszközök jellemzőit, és felgyorsítják a tervezést.
Az inverter és feladata
Az inverterek feladata a villanymotorok – általában szénkefe nélküli egyenáramú (BLDC, brushless direct current) motorok – vezérlésére alkalmas hullámformájú feszültségek létrehozása és értékének szabályozása. Az inverterek szabályozzák a villanymotorok fordulatszámát és nyomatékát, biztosítva többek között a rángatásmentes indulást és megállást, a fordított forgásirányt és a gyorsulás változásait. Biztosítaniuk kell továbbá a kívánt motorteljesítmény elérését, és azt, hogy az a terhelés változásai ellenére is állandó maradjon.
Itt jegyezzük meg, hogy a változtatható kimenőfrekvenciájú villanymotor-inverter nem tévesztendő össze a váltakozó áramú hálózati inverterrel. Ez utóbbi egyenáramot vesz fel valamilyen áramforrásból – például autóakkumulátorból –, és a szinuszhullámhoz közelítő, állandó frekvenciájú, 120/240 V-os váltakozó feszültségű hullámformát állít elő, amely villamos hálózatról működő készülékek áramellátására alkalmas.
A GaN technika használatának előnyei
A GaN eszközöknek a szilíciumeszközökhöz képest vonzó tulajdonságaik vannak, többek között nagyobb a kapcsolási sebességük, kisebb a nyelő–forrás nyitóirányú ellenállásuk (RDS(ON)), és jobb a hőleadásuk. A kisebb RDS(ON) ellenállás lehetővé teszi kisebb és könnyebb motorvezérlések létrehozását, és csökkenti a teljesítményveszteséget, ami energiát és költséget takarít meg az olyan felhasználási területeken, mint például a villanykerékpárok és a drónok. A kisebb kapcsolási veszteségek jobb hatásfokú motorvezérlést eredményeznek, ami növelheti a könnyű villanyjárművek (EV, electric vehicle) hatótávolságát. A nagyobb kapcsolási sebességek megteremtik a lehetőséget arra, hogy a motorok kis késleltetéssel reagáljanak, ami elengedhetetlen a pontos motorvezérlést igénylő felhasználási területeken, például a robotikában. A GaN FET-ek nagyobb teljesítményű és jobb hatásfokú targoncamotor-vezérlések kifejlesztésére is alkalmasak. Az, hogy a GaN FET-ek nagyobb áramerősségek kezelésére képesek, lehetővé teszi, hogy nagyobb méretű és teljesítményű motorokhoz használják őket.
A végfelhasználók számára az alapvető előnyök a méret- és a tömegcsökkenés, a nagyobb teljesítménysűrűség és a jobb hatásfok, valamint a jobb hőleadás.
Ismerkedés a GaN eszközökkel
Ha valamilyen nagy teljesítményű kapcsolóeszközt szeretne használni a tervezett készülékhez, főleg a közepes áramerősség- és feszültségtartományban, a legapróbb részletekig és egyedi jellemzőkig meg kell vizsgálni és figyelembe kell venni az eszköz paramétereit. A GaN alkatrészek esetében két belső szerkezeti felépítés lehetséges: a kiürítéses (depletion-mode device; d-GaN) és a növekményes (enhancement-mode; e-GaN) változat. A kiürítéses (d-GaN) kapcsolók alaphelyzetben nyitott tranzisztorok (ez a hagyományos kapcsolók zárt helyzetének felel meg), és negatív tápfeszültséget igényelnek, emiatt az áramkörökbe való beépítésük is bonyolultabb. Ezzel szemben a növekményes (e-GaN) kapcsolók alaphelyzetben zárt tranzisztorok (ez a hagyományos kapcsolók nyitott helyzetének felel meg), amelyek egyszerűbb áramköri felépítést tesznek lehetővé.
A GaN eszközök eredendően kétirányúak, és akkor kezdenek el vezetni, amikor a rájuk kapcsolt záróirányú feszültség túllépi a kapu küszöbfeszültségét. Továbbá, mivel ezek az eszközök kialakításuknál fogva eleve nem képesek lavinahatásos üzemmódban működni, kritikus fontosságú a megfelelő névleges feszültségű eszközök használata. A legfeljebb 480 V sínfeszültségű rendszerek esetén a feszültségcsökkentő, feszültségnövelő és hídkapcsolású egyenáram-átalakító áramkörökhöz általában elegendő a 600 V névleges feszültség.
Bár alapvető nyitási és zárási kapcsolási funkciójukat tekintve a GaN kapcsolók egyszerűek, mégis teljesítményelektronikai eszközök, ezért a tervezőknek fokozottan figyelniük kell a nyitás- és a zárásvezérlési követelményekre, a kapcsolások időzítésére, az áramköri elrendezésre, a parazitaparaméterek hatásaira, az áramfolyások szabályozására, valamint az áramköri kártyán az áramerősség (I) és az ellenállás (R) szorzatával egyenlő feszültségesésekre (IR-drop).
Sok tervező számára a fejlesztőkártyák jelentik a leghatékonyabb segítséget a GaN eszközök képességeinek megértésére és használatának megismerésére. Ezeken a kártyákon egy vagy több GaN eszköz található, különböző áramköri elrendezésekben és teljesítményszintekkel. Tartalmazzák emellett a kapcsolódó passzív alkatrészeket is, beleértve a kondenzátorokat, tekercseket, ellenállásokat, diódákat, hőmérséklet-érzékelőket, védelmi eszközöket és csatlakozókat.
Érdemes kisebb teljesítményű eszközökkel kezdeni
A kisebb teljesítményű GaN FET-ekre kiváló példa az EPC2065 jelű eszköz. A nyelő–forrás feszültsége (VDS) 80 V, a nyelőárama (ID) 60 A, az RDS(ON) nyitóirányú ellenállása pedig legfeljebb 3,6 mΩ. Kizárólag forrasztási sávokkal ellátott, 3,5 mm × 1,95 mm méretű passzivált félvezetőlapka formájában kerül forgalomba (1. ábra).
1. ábra A 80 V-os, 60 A-es EPC2065 GaN FET egy passzivált félvezetőlapkás eszköz kialakított forrasztási sávokkal (Kép: EPC)
A többi GaN eszközhöz hasonlóan az EPC2065 oldalirányú elrendezése és a többségi töltéshordozós dióda miatt kivételesen kicsi az eszköz teljes kaputöltése (QG) és nulla a záróirányú töltésmennyisége (QRR). Ezek a tulajdonságok alkalmassá teszik az EPC2065 GaN FET-et olyan felhasználási területekre, ahol előnyösek a nagyon nagy kapcsolási frekvenciák (akár több száz kHz) és a rövid nyitott állapotban töltött időtartamok, valamint az olyanokra, ahol a nyitott állapotban fellépő veszteségek dominálnak.
Ezt az eszközt két egymáshoz nagyon hasonló fejlesztőkártya támogatja: az EPC9167KIT kártya a 20 A/500 W-os működéshez, illetve a nagyobb teljesítményű EPC9167HCKIT kártya a 20 A/1 kW-os működéshez (2. ábra). Mindkettő háromfázisú BLDC-motorokhoz való vezérlő inverterkártya.
2. ábra A képen az EPC9167 kártya alsó (balra) és felső oldala (jobbra) látható (Kép: EPC)
Az alapszintű EPC9167KIT kártya minden kapcsolóját egyetlen FET alkotja, és az egyes kapcsolók fázisonként 15 ARMS (névleges érték), illetve 20 ARMS (csúcsérték) áramot képesek leadni. Ezzel szemben a nagyobb áramerősségű EPC9167HC kártya minden kapcsolóját két párhuzamosan kapcsolt FET alkotja, és minden kapcsoló akár 20 ARMS/30 ARMS (névleges érték/csúcsérték) legnagyobb kimenő áramerősséget is képes leadni. Ez jól szemlélteti azt, hogy a GaN FET-eket viszonylag könnyű párhuzamosan kapcsolva használni a nagyobb kimenő áramerősség eléréséhez. A 3. ábrán az EPC9167 kártya blokkvázlata látható.
3. ábra Az ábrán egy BLDC-vezérlő eszközben használt alapszintű EPC9167 kártya blokkvázlata látható. A nagyobb teljesítményű EPC9167HC minden kapcsolóját két párhuzamosan kapcsolt EPC2065 FET alkotja, míg a kisebb teljesítményű EPC9167 kapcsolóit csak egy-egy (Kép: EPC)
Az EPC9167KIT kártya tartalmazza az összes olyan elengedhetetlen áramkört, amely egy teljes villanymotor-vezérlő inverter kialakításához kell, beleértve a kapuvezérlőket, a szabályozott kisegítő kimenőfeszültség-tartó tápegységeket, a feszültségérzékelést, a hőmérséklet-érzékelést, az áramerősség-érzékelést és a védelmi funkciókat.
Az EPC9167 különféle kompatibilis vezérlőegységekhez illeszkedik, és több gyártó eszközeivel is használható közösen. A gyors fejlesztés érdekében a meglévő erőforrásokat kihasználva gyorsan beállítható villanymotor-vezérlő inverterként.
Továbblépés nagyobb teljesítményre
A teljesítménykezelési tartomány másik végén az EPC2302 jelű eszköz található. Ez egy GaN FET, amelynek 100 V/101 A a névleges feszültsége és áramerőssége, és mindössze 1,8 mΩ a legnagyobb RDS(ON) nyitóirányú ellenállása. Jól használható nagyfrekvenciás, 40–60 V-os egyenáram-átalakítókban és 48 V-os BLDC-motorvezérlésekhez. Az EPC2065 esetében használt, forrasztósávokkal ellátott passzivált félvezetőlapkával szemben ez a GaN FET 3 mm × 5 mm-es, kis induktivitású QFN tokozásban kapható, és a teteje a minél jobb hűtés érdekében szabadon van hagyva.
A tok tetejének hőellenállása nagyon kicsi, mindössze 0,2 °C/W, ami kiváló hűtést eredményez, és megkönnyíti a hűtéssel kapcsolatos feladatokat. A szabadon hagyott felső résznek köszönhetően felülről az eszköz jobb hűtésére van lehetőség, míg az oldalról forrasztható érintkezők lehetővé teszik, hogy újraolvasztó lágyforrasztást használva az oldalsó érintkezőfelületeket teljes mértékben befedje a forraszanyag. Ez védi a rézfelületet, és lehetővé válik az e felől a külső érintkezőfelület felőli forrasztás, így mód nyílik a könnyű szemrevételezéses ellenőrzésre.
Az EPC2302 alapterülete kevesebb mint feleakkora, mint a hasonló RDS(ON) nyitóirányú ellenállású és feszültségértékű, kategóriájában a legjobb szilícium MOSFET-é, miközben a QG kaputöltés és a QGD kapu–nyelő töltés jelentősen kisebb, a QRR záróirányú töltésmennyiség pedig nulla. Ezek eredményeként kisebbek a kapcsolási és kapuvezérlési veszteségek. Az EPC2302 a jobb hatásfok érdekében rövid, néhányszor tíz nanoszekundumos (ns) holtidővel működik, míg a nulla értékű QRR záróirányú töltésmennyiség növeli a megbízhatóságot, és minimálisra csökkenti az elektromágneses zavarást (EMI).
Az EPC2302 FET-tel való kísérletezésre készült EPC9186KIT motorvezérlő és -meghajtó teljesítménykezelő fejlesztőkártya maximum 5 kW-os villanymotorokhoz használható, és legfeljebb 150 ARMS és 212 APEAK legnagyobb kimenő áramerősséget képes leadni (4. ábra).
4. ábra A képen az EPC2302 FET-hez készült EPC9186KIT 5 kW-os fejlesztőkártya felső (balra) és alsó (jobbra) része látható (Kép: EPC)
A nagyobb áramerősség elérése érdekében az EPC9186KIT fejlesztőkártyán minden kapcsolót négy párhuzamosan kapcsolt GaN FET alkot, jól szemléltetve azt, hogy ezzel a módszerrel nagyobb áramerősségeket is könnyedén el lehet érni. A kártya 100 kHz-ig a PWM kapcsolási frekvenciákat is támogatja a motorvezérlő áramkörökben, és tartalmazza az összes olyan elengedhetetlen funkciót, amelyre egy teljes villanymotor-vezérlő inverter megvalósításához szükség van, beleértve a kapuvezérlőket, a szabályozott kisegítő kimenőfeszültség-tartó tápegységeket, a feszültség- és hőmérséklet-érzékelést, a pontos áramerősség-érzékelést és a védelmi funkciókat.
Összegzés
A villanymotor-inverter kritikus láncszem az áramforrás és a villanymotor között. A kisebb méretű, jobb hatásfokú és nagyobb teljesítményű inverterek tervezése egyre fontosabb célkitűzés. Bár gyártástechnológiai szempontból a tervezőknek a közepes teljesítményű inverterekben használt létfontosságú kapcsolóüzemű teljesítménytranzisztorokat illetően több választási lehetőségük is van, általában a GaN eszközöket részesítik előnyben, amilyeneket például az EPC is gyárt.
Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, DigiKey
DigiKey
www.digikey.hu
Angol/német nyelvű kapcsolat
Rolf Horn
Applications Engineer
DigiKey Germany
Tel.: +49 89 2444 8 x 16817
E-mail:
