Slik kan GaN-strømforsyninger brukes for å gi overlegne invertere i mellomklassen

Etterspørselen etter mer effektiv bruk av energikilder, strengere regulatoriske mandater og de tekniske fordelene forbundet med kaldere drift, gir støtte til nylige tiltak om å redusere mengden strøm som forbrukes av elektriske motorer. Selv om vekslingsteknologier som silisium-MOSFET-er er utbredt, kan de ikke alltid oppfylle de mer krevende ytelses- og virkningsgradmålene til de svært viktige inverterkonstruksjonene.

I stedet kan konstruktører oppfylle disse målene ved å bruke galliumnitrid (GaN), en FET-teknologi med bred båndavstand (WBG – wide bandgap) som har blitt forbedret når det gjelder kostnader, ytelse, pålitelighet og brukervennlighet. GaN-enheter er nå en tradisjonell enhet som har blitt det foretrukne valget for invertere ved mellomstore effektnivåer.

Denne artikkelen undersøker hvordan den nyeste generasjonen av GaN-baserte FET-er fra Efficient Power Conversion Corporation (EPC) muliggjør motorinvertere med høy ytelse. Evalueringskort presenteres for å gjøre konstruktører mer kjent med GaN-enheters egenskaper og få fart på konstruksjoner.

Grunnleggende om invertere

Rollen til en inverter er å opprette og regulere strømbølgeformen som driver en motor, som ofte er en børsteløs likestrømsmotor (BLDC). Den styrer blant annet motorhastighet og dreiemoment for å gi jevn oppstart og stans, revers og akselerasjonsgrad. Den må også sørge for at den ønskede motorytelsen oppnås og opprettholdes til tross for endringer i belastningen.

Vær oppmerksom på at en motorinverter med variabel utgangsfrekvens ikke må forveksles med en vekselstrømsinverter. Sistnevnte tar likestrøm (DC) fra en kilde, for eksempel et bilbatteri, og omformer denne til 120/240 volt vekselstrøm (AC) med fast frekvens, som produserer en tilnærmet sinusbølge og kan brukes til å drive nettstrømsdrevne enheter.

Derfor bør du overveie GaN

GaN-enheter har attraktive egenskaper sammenlignet med silisium, for eksempel høyere vekslingshastigheter, lavere drain-source-ON-motstand (R_DS(ON)) og bedre termisk ytelse. Lavere R_DS(ON) gjør at de kan brukes i mindre og lettere motordrivenheter og gi redusert strømtap, noe som sparer energi og kostnader i utrustninger som elsykler og droner. Lavere vekslingstap fører til mer effektive motordrivenheter som kan utvide rekkevidden til lette elektriske kjøretøy (EV). Raskere vekslingshastigheter gir motorrespons med lav latenstid, noe som er viktig for konstruksjoner som krever nøyaktig motorstyring, for eksempel robotikk. GaN FET-er kan også brukes til å utvikle kraftigere og mer effektive motordrivenheter i gaffeltrucker. De høyere strømhåndteringsegenskapene til GaN FET-er gjør at de kan brukes for større og kraftigere motorer.

For sluttutrustninger er de endelige fordelene redusert størrelse og vekt, høyere effekttetthet og virkningsgrad og bedre termisk ytelse.

Slik kommer du i gang med GaN

Konstruksjon med en hvilken som helst strømvekslingsenhet, spesielt for mellomstore strøm- og spenningsnivåer, krever oppmerksomhet rundt enhetens minste detaljer og unike egenskaper. GaN-enheter har to interne strukturalternativer: utarmingsmodus (d-GaN – depletion mode GaN) og anrikningsmodus (e-GaN – enhancement mode GaN). En d-GaN-bryter er normalt «på» (on) og krever negativ forsyning. Denne er mer komplisert å konstruere inn i kretser. Til sammenligning er e-GaN-brytere MOSFET-er som normalt er «av» (off), noe som resulterer i en enklere kretsarkitektur.

GaN-enheter er iboende toveis og vil begynne å lede når den negative sperrespenningen over dem overskrider gatens terskelspenning. Videre, siden de ikke er i stand til drift i avalanche-modus som tiltenkt, er det viktig å ha tilstrekkelig spenningsverdi. En nominell spenning på 600 volt er vanligvis tilstrekkelig ved busspenninger på opptil 480 volt for topologier med spenningsreduksjon (buck), spenningsøkning (boost) og bro-DC-omforming.

Selv om GaN-brytere er enkle med sin grunnleggende på/av-strømvekslingsfunksjonalitet, er de klassifisert som effekthalvledere, så konstruktører må nøye vurdere kravene til på- og avslåing av drivenheter, vekslingstiming, layout, virkningen av parasittstrømmer, styring av strømflyt og fall av strømmotstand (IR) på kretskortet.

For mange konstruktører er bruken av evalueringssett den mest effektive måten å finne ut hva GaN-enheter er i stand til og hvordan de kan brukes. Disse settene bruker individuelle og flertallige GaN-enheter i forskjellige konfigurasjoner og effektnivåer. De inkluderer også de tilknyttede passive komponentene, som omfatter kondensatorer, induktorer, motstander, dioder, temperatursensorer, beskyttelsesenheter og kontakter.

Start med effektbesparende enheter

EPC2065 er et utmerket eksempel på en GaN FET med lavere effekt. Den har en drain-source-spenning (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 bare i passivert senkeform (passivated die form) med loddestenger, og den måler 3,5 × 1,95 millimeter (mm) (figur 1).

Figur 1: EPC2065 GaN FET-en på 80 volt og 60 A er en passivert senkeform med integrerte loddestenger. (Bildekilde: EPC)

I likhet med andre GaN-enheter, gir den laterale enhetsstrukturen og majoritetsbærerdioden til EPC2065 eksepsjonelt lav total gate-ladning (Q_G) og null sperreforsinkelsesladning (Q_RR). Disse egenskapene gjør den godt egnet for situasjoner der svært høye vekslingsfrekvenser (opptil flere hundre kilohertz) og lav på-tid er gunstig, samt i situasjoner der tap i på-tilstanden dominerer.

Denne enheten støttes av to lignende evalueringssett: EPC9167KIT for drift på 20 A/500 watt og EPC9167HCKIT med høyere effekt for drift på 20 A/1 kilowatt (kW) (figur 2). Begge er trefasede inverterkort for BLDC-motordrivenheter.

Figur 2: Her vises bunnen (nederst) og toppen (høyre) til EPC9167-kortet. (Bildekilde: EPC)

Den grunnleggende EPC9167KIT-konfigurasjonen bruker en enkelt FET for hver bryterposisjon, og kan forsyne opptil 15 A_RMS (nominell verdi) og 20 A_RMS (spissverdi) strøm per fase. EPC9167HC-konfigurasjonen med høyere strømstyrke bruker derimot to parallelle FET-er per bryterposisjon og kan levere maksimal utgangsstrøm på opptil 20 A_RMS/30 A_RMS (nominell/spiss), noe som viser hvor enkelt det er å konfigurere GaN FET-er parallelt for å oppnå høyere utgangsstrøm. Et blokkskjema over EPC9167 er vist i figur 3.

Figur 3: Her vises et blokkskjema over det grunnleggende EPC9167-kortet i en konstruksjon med en BLDC-drivenhet. EPC9167HC med høyere effekt har to EPC2065-enheter i parallell for hver bryter, mens EPC9167 med lavere effekt bare har én FET per bryter. (Bildekilde: EPC)

EPC9167KIT inneholder alle de kritiske kretsene som trengs for å støtte en komplett inverter for en motordrivenhet, inkludert gate-drivere, regulerte tilleggsstrømskinner for husholdningsforsyninger, spenningsavføling, temperaturavføling, strømfølsomhet og beskyttelsesfunksjoner.

EPC9167 kan sammenkobles med diverse kompatible styringer, og er støttet av ulike produsenter. Den kan raskt konfigureres som en inverter for en motordrivenhet eller en DC–DC-omformer ved å utnytte eksisterende ressurser for rask utvikling. I den førstnevnte rollen gir den flerfaset DC–DC-omforming som støtter pulsbreddemodulasjon (PWM)-vekslingsfrekvenser på opptil 250 kilohertz (kHz) i konstruksjoner for motordrivenheter. For ikke-motoriske DC–DC-konstruksjoner fungerer den med en frekvens på opptil 500 kHz.

Overgang til høyere effekt

I den andre enden av strømhåndteringsområdet finner vi EPC2302, en GaN FET med en klassifisering på 100 volt/101 A og en R_DS(ON) på bare 1,8 mΩ. Den er godt egnet for høyfrekvente DC–DC-konstruksjoner fra 40 til 60 volt og BLDC-motordrivenheter på 48 volt. I motsetning til den passiverte dyseinnkapslingen med loddestenger som brukes for EPC2065, er denne GaN FET-en plassert i en QFN-kapsling med lav induksjon som måler 3 × 5 mm, og den har en eksponert topp som gir overlegen termisk styring.

Den termiske motstanden til kabinettets topp er lav, bare 0,2 °C per watt, noe som resulterer i utmerkede termiske egenskaper og gjør kjøleutfordringer enklere. Den eksponerte toppen forbedrer den termiske styringen på oversiden, mens de sideloddbare kantene garanterer at den komplette sidekontaktflaten fuktes med loddemetall under påsmeltingsloddeprosessen. Dette beskytter kobberet og muliggjør lodding på dette eksterne kantområdet for å gi enkel optisk inspeksjon.

Den fysiske størrelsen til EPC2302 er mindre enn halvparten av størrelsen til klassens beste silisium-MOSFET med lignende R_DS(on) og spenningsklassifikasjoner, mens Q_G og Q_GD er betydelig mindre, og Q_RR er null. Dette resulterer i lavere vekslingstap og lavere tap for gate-driveren. EPC2302 fungerer med en kort dødtid på mindre enn 10 nanosekunder (ns) for å gi høyere virkningsgrad, mens nullverdien Q_RR forbedrer påliteligheten og minimerer elektromagnetisk interferens (EMI).

For å trene opp EPC2302 støtter EPC9186KIT – et strømstyringsevalueringskort for en motorstyring/-driver – motorer på opptil 5 kW, og kan forsyne opptil 150 A_RMS og 212 A_PEAK maksimal spissutgangsstrøm (figur 4).

Figur 4: Her vises toppen (venstre) og bunnen (høyre) til det 5 kW EPC9186KIT-evalueringskortet for EPC2302. (Bildekilde: EPC)

For å oppnå denne høyere strømklassifiseringen, bruker EPC9186KIT fire parallelle GaN FET-er per bryterposisjon, noe som viser hvor enkelt det er å bruke denne tilnærmingen for å nå høyere strømnivåer. Kortet støtter PWM-vekslingsfrekvenser på opptil 100 kHz i konstruksjoner med motordrivenheter, og inneholder alle de kritiske funksjonene som trengs for å støtte en komplett inverter for en motordrivenhet, inkludert gate-drivere, regulerte tilleggsstrømforsyninger for husholdning, spennings- og temperaturavføling, nøyaktig strømavføling og beskyttelsesfunksjoner.

Konklusjon

Motorinvertere er den kritiske forbindelsen mellom en grunnleggende strømkilde og en motor. Det blir stadig viktigere å konstruere mindre invertere med høyere virkningsgrad og ytelse. Selv om konstruktører kan velge ulike prosessteknologier for de kritiske strømvekslingsenhetene som invertere i mellomklassen bruker, er GaN-enheter, for eksempel de fra EPC, det foretrukne alternativet.