GaN-tehokomponenttien käyttö keskitason moottori-invertterien tehostamiseen

Energianlähteiden tehokkaampi käyttö, tiukempi säännöstely ja viileämmän toiminnan tekniset hyödyt tukevat viimeaikaisia hankkeita sähkömoottorien energiankulutuksen laskemiseksi. Piipohjaisia MOSFET-transistoreja käyttävät kytkinteknologiat ovat yleisiä, mutta usein ne eivät täytä kriittisten invertterisovellusten korkeampia suorituskyky- ja tehokkuustavoitteita.

Sen sijaan suunnittelijat voivat täyttää nämä tavoitteet galliumnitridistä (GaN) valmistetuilla leveän energiaraon (Wide Bandgap, WBG) FET-transistoreilla, jotka tarjoavat kustannus-, suorituskyky- ja käytettävyyshyötyjä. GaN-laitteet ovat nyt valtavirtaa, ja ne ovat ensisijaisia vaihtoehtoja teholtaan keskitasoa edustaville inverttereille.

Tässä artikkelissa tutustutaan Efficient Power Conversion Corporationin (EPC) uusimman sukupolven GaN-pohjaisiin FET-transistoreihin sekä niiden käyttöön korkean suorituskyvyn moottori-inverttereissä. Artikkelissa esitellään myös arviointikortteja, joiden avulla suunnittelijat voivat tutustua GaN-komponenttien ominaisuuksiin ja nopeuttaa suunnittelua.

Mikä on invertteri?

Invertterin tarkoituksena on luoda moottorin (usein harjaton DC-moottori eli BLDC) käyttövoimana käytettävä aaltomuoto ja säännellä sitä. Se ohjaa moottorin nopeutta ja vääntömomenttia mahdollistaen muun muassa sulavan käynnistyksen, pysäytyksen, peruutuksen ja kiihdytyksen. Lisäksi sen tehtävänä on varmistaa, että moottorin suorituskyky pysyy halutuissa rajoissa myös kuormituksen muuttuessa.

Muuttuvan taajuuslähdön moottori-invertteriä ei tule sekoittaa AC-invertteriin. Jälkimmäinen ottaa DC-virtaa esimerkiksi auton akusta ja muuntaa sen 120/240 voltin AC-aaltomuodoksi kiinteällä taajuudella. Tämä muistuttaa siniaaltoa ja sillä voidaan syöttää virtaa tavallisesti verkkosähköä käyttäviin laitteisiin.

Miksi valita GaN-teknologia?

GaN-komponentit tarjoavat houkuttelevia ominaisuuksia piihin verrattuna, mukaan lukien nopeampi kytkentä, pienempi nielun ja lähteen välinen johtamisresistanssi (R_DS(ON)) sekä parempi lämpötekninen suorituskyky. Pienempi R_DS(ON)-arvo vähentää tehohäviöitä ja mahdollistaa käytön pienemmissä ja kevyemmissä moottoriohjaimissa. Tämä säästää energiaa ja kustannuksia esimerkiksi sähköpyörien ja droonien kaltaisissa sovelluksissa. Pienemmät kytkentähäviöt parantavat moottoriohjaimien hyötysuhdetta, mikä lisää sähköajoneuvojen (EV) kantamaa. Nopeampi kytkentä taas parantaa moottorin vasteaikaa, mikä on tärkeää tarkkaa moottorinohjausta vaativissa sovelluksissa, kuten robotiikassa. GaN-FET-transistoreja voidaan myös hyödyntää voimakkaampien ja energiatehokkaampien moottoriohjaimien kehittämiseksi haarukkatrukkeja varten. Koska GaN-FET-transistorit voivat käsitellä suurempia virtoja, niitä voi käyttää entistä suurempien ja tehokkaampien moottoreiden kanssa.

Loppusovelluksesta riippuen pääasialliset hyödyt ovat pienempi koko ja paino, korkeampi tehotiheys ja hyötysuhde sekä parempi lämpötekninen suorituskyky.

GaN-teknologian käytön aloittaminen

Virtakytkinkomponenttien käyttö suunnittelussa edellyttää komponentin pienimpienkin yksityiskohtien ja erityisominaisuuksien tarkkaa huomioimista – etenkin, jos laitetta tullaan käyttämään keskisuurella virralla ja jännitteellä. GaN-laitteiden sisäisiä rakennetyyppejä on kahdenlaista: tyhjennystyyppi (depletion mode, d-GaN) ja avaustyyppi (enhancement mode, e-GaN). Tyhjennystyyppinen d-GaN-kytkin on normaalisti avoinna ja se vaatii negatiivisen jännitteen. Tämän tyypin käyttö piireissä on monimutkaisempaa. Sen sijaan avaustyyppiset e-GaN-kytkimet ovat normaalisti suljettuja MOSFET-transistoreja, mikä yksinkertaistaa piiriarkkitehtuuria.

GaN-laitteet ovat pohjimmiltaan kaksisuuntaisia, ja ne alkavat johtaa virtaa, kun niiden yli vaikuttava estojännite ylittää hilan kynnysjännitteen. Koska ne eivät rakenteensa vuoksi tue vyörypurkaustilaa, riittävän jänniteluokituksen varmistaminen on erittäin tärkeää. Noin 600 voltin jänniteluokitus riittää tavallisesti enintään 480 voltin väyläjännitteille käytettäessä jännitteenalennus-, jännitteenkorotus- tai siltatyyppistä DC-muunnostopologiaa.

Vaikka GaN-kytkinten perusfunktio virtakytkimenä on yksinkertainen, ne ovat silti tehokomponentteja. Näin ollen suunnittelijoiden on huomioitava tarkasti päälle- ja poiskytkennän vaatimukset, kytkennän ajoitus, layout, loistekijöiden vaikutukset, virtojen ohjaus sekä piirilevyn IR-häviöt.

Arviointisarjat tarjoavat useimmille suunnittelijoille tehokkaimman mahdollisen tavan ymmärtää GaN-komponenttien toimintaa ja käyttöä. Nämä sarjat tarjoavat yksittäisiä tai useita GaN-komponentteja erilaisilla konfiguraatioilla ja erilaisilla teholuokituksilla. Ne sisältävät myös tarvittavat passiiviset komponentit, kuten kondensaattorit, induktorit, vastukset, diodit, lämpötila-anturit, suojauslaitteet ja liittimet.

Aloittaminen pienitehoisemmilla komponenteilla

EPC2065 on erinomainen esimerkki pienempitehoisesta GaN-FET-transistorista. Sen nielun ja lähteen välinen jännite (V_DS) on 80 volttia (V), nieluvirta (I_D) 60 ampeeria (A) ja R_DS(ON) 3,6 milliohmia (mΩ). Se on saatavilla vain passivoidussa sirumuodossa ja juotospalkeilla varustettuna, ja sen mitat ovat 3,5 × 1,95 mm (kuva 1).

Kuva 1: EPC2065 on 80 voltin ja 60 ampeerin passivoitua sirumuotoa käyttävä GaN-FET integroiduilla juotospalkeilla. (Kuvan lähde: EPC)

Muiden GaN-komponenttien tapaan myös EPC2065-piirin lateraalinen laiterakenne ja enemmistövarauskuljettajadiodi mahdollistavat erityisen matalan kokonaishilavarauksen (Q_G) ilman estosuunnan elpymisvarausta (Q_RR). Nämä ominaisuudet sopivat hyvin tilanteisiin, joissa erittäin korkeista kytkentätaajuuksista (jopa useita satoja kilohertsejä) sekä lyhyestä päälläoloajasta on etua ja joissa päälläolotilan häviöt ovat merkittäviä.

Tälle laitteelle on kaksi samankaltaista arviointisarjaa: EPC9167KIT 20 A/500 W:n luokituksella sekä korkeampitehoinen EPC9167HCKIT 20 A/1 kW:n luokituksella (kuva 2). Kumpikin näistä on kolmivaiheisen BLDC-moottoriohjaimen invertterikortti.

Kuva 2: EPC9167-kortin ala- (vasen) ja yläpuoli (oikea). (Kuvan lähde: EPC)

EPC9167KIT-peruskonfiguraatio käyttää yhtä FET-transistoria kullekin kytkinasennolle ja sen virtaluokitus vaihetta kohden on 15 A_RMS (nimellisarvo) ja 20 A_RMS (huippuarvo). Sen sijaan suuremman virran EPC9167HC-konfiguraatio käyttää kahta rinnakkaista FET-transistoria, joiden virtaluokitus on jopa 20 A_RMS/30 A_RMS (nimellisarvo/huippuarvo). Tämä on esimerkki siitä, kuinka GaN-FET-transistoreja voidaan käyttää suhteellisen helposti rinnakkaiskonfiguraatiossa lähtövirran kasvattamiseksi. Kuvassa 3 esitetään EPC9167-peruskortin lohkokaavio.

Kuva 3: EPC9167-peruskortin lohkokaavio BLDC-ohjainsovelluksesta. Korkeampitehoisessa EPC9167HC-kortissa on kaksi EPC2065-komponenttia rinnakkain kullekin kytkimelle, kun taas pienitehoisemmassa EPC9167-kortissa on vain yksi FET kytkintä kohden. (Kuvan lähde: EPC)

EPC9167KIT-sarja sisältää kaikki täydellisen moottorinohjausinvertterin tarvitsemat kriittiset piirit, mukaan lukien hilaohjaimet, reguloidut lisäjännitetasot lisätoimintojen virransyöttöä varten sekä jännitteen, lämpötilan ja virran mittaus sekä suojaustoiminnot.

EPC9167 voidaan kytkeä useisiin erilaisiin sen kanssa yhteensopiviin ohjaimiin ja useat valmistajat tukevat sitä. Sen voi konfiguroida nopeasti moottoriohjaininvertteriksi tai DC–DC-muuntimeksi nopeaa kehitystä tukevien valmiiden resurssien avulla. Ensimmäisessä roolissa se tarjoaa monivaiheisen DC–DC-muunnoksen, joka tukee moottorinohjaussovelluksissa pulssileveysmodulaatiota (PWM) ja jopa 250 kHz:n kytkentätaajuuksia. Muissa DC–DC-sovelluksissa se tukee jopa 500 kHz:n taajuutta.

Korkeampi teho

Tehoalueen toisessa päässä on GaN-FET EPC2302, jonka jännite- ja virtaluokitukset ovat 100 V/101 A ja R_DS(ON) ainoastaan 1,8 mΩ. Se sopii hyvin korkean taajuuden DC–DC-sovelluksiin tulojännitteellä 40–60 V ja 48 V:n BLDC-moottorinohjaukseen. EPC2065-komponentin passivoidusta sirumuodosta ja juotospalkeista poiketen tämä GaN-FET käyttää 3 × 5 mm:n matalan induktanssin QFN-koteloa, jonka paljas yläosa tehostaa lämmönhallintaa.

Kotelon yläosan lämpövastus on vain 0,2 °C per watti, mikä parantaa sen lämpöteknisiä ominaisuuksia ja helpottaa jäähdytystä. Sen paljas yläosa helpottaa yläpuolen lämmönhallintaa, ja juotoksen helpon tarkistuksen mahdollistavat tarkastettavat reunat auttavat varmistamaan, että sulatusjuotos leviää halutulle alueelle. Tämä suojaa kuparia ja helpottaa juotoksen optista tarkistusta.

EPC2302 on kooltaan alle puolet verrattuna luokkansa parhaaseen piipohjaiseen MMOSFET-transistoriin vastaavalla R_DS(on)-arvolla ja jänniteluokituksella. Se tarjoaa myös merkittävästi pienemmät Q_G- sekä Q_GD-arvot, ja sen Q_RR-arvo on nolla. Tämä vähentää kytkentä- ja hilaohjainhäviöitä. EPC2302-piirin alle 10 nanosekunnin kuollut aika parantaa hyötysuhdetta ja nolla-arvoinen Q_RR parantaa luotettavuutta sekä minimoi sähkömagneettisia häiriöitä (EMI).

EPC2302-piirin käyttöä voi testata EPC9186KIT-sarjan avulla. Tämä on moottoriohjaimen tehonhallinnan arviointikortti, joka tukee jopa 5 kW:n moottoreita. Sen virtaluokitus on jopa 150 A_RMS ja 212 A_PEAK (kuva 4).

Kuva 4: Kuvassa EPC2302-piirille tarkoitetun 5 kW:n arviointikortin EPC9186KIT yläosa (vasemmalla) ja alaosa (oikealla). (Kuvan lähde: EPC)

Tämän korkeamman virtaluokituksen saavuttamiseksi EPC9186KIT käyttää neljää rinnakkaista GaN-FET-transistoria kytkinpistettä kohden. Tällä menetelmällä voidaan saavuttaa helposti korkeita virtoja. Kortti tukee moottoriohjainsovelluksissa jopa 100 kHz:n PWM-kytkentätaajuutta, ja se sisältää kaikki moottoriohjaininvertterin tarvitsemat kriittiset toiminnot, kuten hilaohjaimet, reguloidut lisävirtalähteet, jännitteen ja lämpötilan mittauksen, tarkan virtamittauksen sekä suojaustoiminnot.

Yhteenveto

Moottori-invertterit muodostavat kriittisen linkin perusvirtalähteen ja moottorin välille. Pienempien, tehokkaampien ja korkeamman hyötysuhteen invertterien suunnittelu on yhä tärkeämpää. Keskitason inverttereiden kriittisiä virtakytkinkomponentteja varten on saatavilla erilaisia prosessitekniikoita, mutta ensisijaisia vaihtoehtoja ovat GaN-komponentit, joita valmistaa esimerkiksi EPC.