Optimalisering av effektregulatorer i industriell motorstyring med GMR10Dx-moduler for flerfasede forspenningsløsninger

Denne artikkelen tar for seg konstruksjonsutfordringene og viktige faktorer som er involvert i utviklingen av en pålitelig og sikker flerfaset strømstyring. Den drar nytte av den GMR10Dx-isolerte DC–DC-omformermodulen med jordingsfrie utganger, som kombineres med Ganmar Technologies sine svært integrerte, doble strømmoduler med bred båndavstand og switch-gate-driver (dual wide-bandgap switch gate drive power modules). Utformingen og konstruksjonen av disse modulene er optimalisert for å oppfylle systemkravene til pålitelighet, sikkerhet, EMI (elektromagnetisk interferens) og varmeavledning.

Et illustrerende systemeksempel som viser en trefaset vekselstrøminngang som driver et PFC-trinn (PFC – Power Factor Correction) presenteres, etterfulgt av en pulsbreddemodulasjon-styrt (PWM – Pulse Width Modulation) tung last, f.eks. en motor av industrikvalitet. Konstruksjonen er spesielt fokusert på å drive høyspente GaN-switcher fra Infineon (tidligere GaN Systems), noe som gir en praktisk kretsløsning. Begrensninger i tradisjonelle metoder for å drive halvbro (HB) totempæl-switcher adresseres, og alternative løsninger for å styre både øvre og nedre switcher utforskes. Praktiske kretsutfordringer presenteres for å sikre pålitelig og sikker drift, samtidig som plassbehovet minimeres. I tillegg dekker denne merknaden strømføling med lavt tap og høy båndbredde for å forenkle konstruksjonsprosessen ytterligere.

Dagens konstruksjonsmiljø byr på mange utfordringer, blant annet behovet for kompakt maskinvare, redusert strømforbruk for å gi effektiv kjøling, økt pålitelighet med optimalisert varmeavledning og kostnadseffektive løsninger. Disse kompliseres ytterligere av stramme budsjetter og kortere utviklingstider. For å ta fatt på disse utfordringene introduserer artikkelen standard delsystemer og byggeklosser som hjelper konstruksjonsteam med å dra nytte av ekspertisen og samsvaret til leverandører av delsystemer.

Ved å bruke strømomformere og tilkoblingsmoduler fra Ganmar Technologies, gir artikkelen en optimal løsning på disse konstruksjonsutfordringene. De medfølgende modulene muliggjør effektiv utvikling av et flerfaset gate-driversystem, og deres standardiserte formfaktor sparer verdifull plass på hovedkortet.

Utforming av en forspent strømstyring (bias power controller) for et generelt 3-faset høyspent system med høy effekt ved å bruke GMR10Dx

Denne delen skisserer konstruksjonsfaktorene forbundet med å lage en forspent strømstyring i et høyspent system med høy effekt som bruker GMR10Dx DC–DC-omformermoduler, kombinert med den jordingsfrie gate-driverforspenningen som forsynes av GMR04B00x-modulene. Som vist på figur 1a, kan systemet inkludere en PWM-styrt tung last, for eksempel en industrimotor, som har flere switcher og krever flere forspenninger for forskjellige blokkoblinger. Nedenfor er viktige forutsetninger for konstruksjonen:

• EMI-faktorer: Systemet krever en effektfaktor (PF) nær 1 (near-unity power factor), noe som gjør det nødvendig å bruke effektfaktorkorreksjon (PFC – power factor correction).
• Oppstartslogikk: PFC-en inkluderer en prosessor, som krever uavhengig oppstartslogikk for forspente omformere.
• Effekttap: Reduksjon av effekttap i styringselektronikken er avgjørende for pålitelighet og for å forenkle kravene til kjølesystemet.
• Bruk av standardprodukter: Konstruksjonen maksimerer bruken av lett tilgjengelige komponenter.

Figur 1a gir en generell systemkonfigurasjon for visuell referanse i påfølgende konstruksjonsdiskusjoner.

Figur 1a: Forspenning og oppstart av industrielt styringssystem med høy last. (Bildekilde: Ganmar Technologies)

Med henvisning til blokkskjemaet i figur 1a, vil denne delen fokusere på utformingen av den forspente strømstyringen og integrasjonen med det generelle systemet. Konstruksjonsalternativer vil bli utforsket for hver funksjon, unntatt PFC-en og PWM-styringen, på grunn av behovet for mer spesifikk informasjon om systemtilkoblingskrav for å håndtere disse funksjonene på en grundig måte. Som følge av dette vil ikke denne artikkelen dekke disse komponentene i detalj. Det antas at systemet bruker høyspente GaN-switcher, for eksempel GS66516T fra Infineon, selv om overveielser for alternative switchteknologier, for eksempel SiC eller bipolare switcher, også vil bli diskutert.

I tillegg vil denne artikkelen vise frem de svært integrerte, selvdrevne, jordingsfrie gate-drivermodulene fra Ganmar Technologies, uttrykkelig GMR04B00x. «x»-en i modellnummeret angir forskjellige tilgjengelige alternativer for doble gate-driverbrikker. Se GMR04B00x-databladet for detaljerte spesifikasjoner og alternativer.

Forspent strømstyring

Den forspente strømstyringen er konstruert for å gi beskyttelse mot spenningskollaps for lave AC-inngangsverdier (UVLO) og gir en ulåst utkobling hvis AC-inngangene overskrider den maksimale angitte grensen (OVLO). Når AC-inngangen ligger innenfor trygge driftsverdier, genererer GRM10Dx-modulen isolerte DC-utganger ved fellesspenninger, vanligvis 6 V og 22 V. I større systemer kan det være nødvendig med flere spenningstyper. Figur 1b illustrerer en typisk konfigurasjon for å oppnå disse spenningene. En 5 V-utgang med lav effekt brukes til å drive den doble gate-driverbrikken i GMR04B00x-modulen, nærmere bestemt Analog Devices ADUM7223. Se GMR04B00x-databladet for andre tilgjengelige alternativer.

Figur 1b: Typiske limkretstyper (glue circuit forms) avledet fra GMR10Dx. (Bildekilde: Ganmar Technologies)

GMR04B00x-modulen driver sin jordingsfrie side internt for å gi to 12 V forspenninger. Høysiden på 12 V (12 VH) forspenner VIA-utgangsdriveren for den øvre strømswitchen, der gate-drivernivået er +5,6 V/–5,6 V relativt til HBU-noden. Lignende delte driverkonfigurasjoner brukes rundt V- og W-fasekretsene.

For den nedre switchen genereres en separat 12VL internt av GMR04B00x-modulen, noe som kan refereres til med strømreturnoden på lavsiden for enhver polaritet. VIB-utgangen til ADUM7223 deles for eksempel i +5,6 V/-5,6 V av splitternettverket, noe som sørger for at den nedre GaN-switchen fungerer som den skal.

For SiC-switcher vil en annen versjon av GMR04B00x-modulen levere 15 V, 18 V eller 22 V, noe som kan fabrikkinnstilles for å passe til diverse SiC-switcher med høy effekt. Utgangene til splitterkretsen gir ±jordingsfri forspenning for å drive silisiumkarbidswitcher på både høysiden og lavsiden i forhold til de øvre HBU/V/W-nodene, og på samme måte for nedre noder av enhver polaritet. Se GMR04B00x-databladet for tilgjengelige alternativer.

Delen for den forspente strømstyringen, kombinert med de illustrerte LDO-ene i figur 1b, driver de to andre GRM04B00x-tilkoblingsmodulene som er koblet direkte til gatene ved V- og W-nodene. I tillegg kan 22 V-utgangen drive analoge styringer, digitale deler og I/O-brikker på brukerens kort via LDO-er. For høyere strømbehov kan brukere konsultere utrustningsmerknaden for å få veiledning om parallellkobling av GMR10Dx-moduler.

Oppstartsproblemer

Det er viktig å ha en stabil strømkilde for digitale prosessorer før de tas i bruk. Dette krever at den forspente styringen drives fra en strømkilde som er uavhengig av PFC-en. Ganmar-strømomformerkretsen bruker opptil 18 watt fra AC-kilden, noe som påvirker faseforholdene til AC-inngangen minimalt. GMR10DX-modulen støtter et inngangsspenningsområde fra 100 V_DC til 320 V_DC, noe som dekker det typiske området for frakoblede utrustninger.

For høyere kildespenninger som ofte oppstår i utrustninger med høy effekt, der likerettere kan produsere opptil 380 V, kan du ta kontakt med Ganmars tekniske støtte for finne andre alternativer i GMR10Dx-serien.

Figur 2 viser en typisk 6-diodebrolikeretter som er egnet for systemoppstart med denne modulen. Når AC-inngangen overstiger rundt 42 V_RMS (60 Hz eller 400 Hz), som resulterer i en DC-utgang på 200 V_DC fra broen med en liten kondensator på 10 µF, vil modulene begynne å produsere en utgang med en maksimal forsinkelse på 70 ms under forhold med lav last. Denne forsinkelsen er akseptabel ettersom ingen andre systemblokker trekker strøm under oppstart.

Under transienthendelser, hvis AC-inngangene forårsaker at 6-diodebrolikeretterens utgang overskrider det sikre driftsområdet til omformermodulen, vil modulen slås av helt til den likerettede spenningen returnerer til et trygt nivå. I tillegg aktiveres en funksjon for underspenningsbeskyttelse hvis den likerettede spenningen faller under 100 V.

Figur 2: Strømtrekk på maksimalt 18 W fra AC-inngangen direkte for oppstart og forspenning. (Bildekilde: Ganmar Technologies)

Inngangsfiltrering

Strømswitchingmoduler, for eksempel GRM10Dx, har en «negativ» impedanskarakteristikk for inngangsstrømkildene. Denne egenskapen krever nøye filterkonstruksjon for å sikre stabilitet ved tilkoblingen. Selv om detaljert konstruksjon av inngangsfiltre er utførlig dekket i ulike rapporter og publikasjoner, gir denne artikkelen en kort oversikt over GRM10Dx-modulens inngangsegenskaper.

For en typisk last med 15 W konstant effekt på grunn av GaN-funksjonalitet, med en likeretterspenning på 200 V og en virkningsgrad på 0,85, beregnes den ekvivalente impedansen som |200²/(15/η)|, noe som resulterer i omtrent 3,14 kΩ. Denne impedansen er relativt høy sammenlignet med kildeimpedansen, noe som gjør det enklere for det nødvendige filteret å omgå den på en effektiv måte. Det er imidlertid tilrådelig å installere en 10 µF/400 V dempingskondensator nær GRM10Dx-modulen. Selve modulen inkluderer en kondensator på 0,47 µF for å håndtere momentanstrømtopper fra interne switchinghendelser. Den ekvivalente seriemotstanden (ESR – Equivalent Series Resistance) til den eksterne kondensatoren er ikke kritisk, forutsatt at PFC-hovedfilteret gir tilstrekkelig demping.

Ganmar Technologies tilbyr også en eldre brolikerettermodul med AC-inngang, komplett med sikring og EMI-filter, for å gi enkel integrering med GRM10Dx-modulen. Dette forenkler prosessen med å koble til AC-kilden. Ta kontakt med teknisk kundestøtte hos Ganmar for å få informasjon om integrering av denne modulen.

Driverforspenning

Figurene 3 og 4 viser skjemaet og et bilde av GMR10D000-modulen, en isolert DC–DC-omformer som kan levere 15 W med to utganger. V_OUT1 gir vanligvis 6,5 V ved 3 W, mens V_OUT2 gir 22 V ved 12 W. Begge utgangene når sin stabile tilstand innen 10 ms. Denne delen vil forklare hvordan funksjonene som er illustrert i figur 1 kobles til GMR10Dx-enhetene for å oppnå ønsket funksjonalitet og ytelse.

Figur 3: 3-faset tilkobling. (Bildekilde: Ganmar Technologies)

Figur 4: GMR10D000-modulen. (Bildekilde: Ganmar Technologies)

Figur 5 illustrerer modulsammenkoblingene til flere GMR10Dx-moduler for å oppfylle funksjonene til den forspente strømstyringen. I denne delen gis en detaljert forklaring på bruken av GMR04B008 i forbindelse med HS-U-blokken. De to andre modulene kan enkelt replikeres ved å koble til referansereturer som korresponderer med deres respektive noder.

Figur 5: Funksjonsskjema for modulen på driversiden (vist med GMR10D005). (Bildekilde: Ganmar Technologies)

Figur 6 viser tilgjengeligheten til effekt på 22 V med hensyn til den refererte «jordede» GNDS-noden.

Figur 6: Internt skjema for GMR04B00x med jordingsfri gate-strøm og direkte-drivere. (Bildekilde: Ganmar Technologies)

Krav til effekttrinntilkobling

Som vist i figur 6, anbefales det vanligvis i GaN-systemer at det påføres en negativ forspenning for å slå av GaN-effekthalvledere, spesielt i harde switchingtopologier der strømverdiene overstiger 30 A. Figur 7 gir illustrerende diagrammer (takket være Infineon-webinaret) som demonstrerer denne tilnærmingen.

Figur 7: Virkninger av V_EE på utkoblingsdynamikken (turn-off dynamics). (Bildekilde: Infineon)

Implementering og inn-/utkoblingsegenskaper – Modulens implementering av splittere for Infineon-enheter sikrer virkningsfulle innkoblings- og utkoblingsspenninger, samtidig som tap forbundet med utkoblingsoverganger minimeres. De delte driverbølgeformene (split drive waveforms) og Infineons GS66xx-konstruksjon bidrar til økt virkningsgrad, kombinert med en unik transformatorkonstruksjon som reduserer dempede svingningstopper under utkoblingsprosessen til GS66xxs.

Innkobling/utkobling

For en fullstendig innkobling kreves en gate-driver på 5,6 V, med minimal parasittinduktans og kapasitiv kobling mellom følsomme switchingnoder og spor. Overholdelse av GaN-leverandørens retningslinjer for riktig plassering og ruting av kretser, er viktig.

Under utkobling skal gate-kildespenningen (V_GS) være betydelig lavere enn terskelspenningen (V_TH), med et referansenivå på ca. 0 V i kretsene vi tar for oss her. Denne artikkelen forutsetter at ADUM7223 Gate Driver IC-en fra Analog Devices brukes. Det er viktig å merke seg at driverens UVLO-utgang (UVLO – Under Voltage Lockout) er 5 V, noe som gjør den egnet for gate-driveren på 5,6 V som kreves av GaN-enheter. Effekttap for driveren for denne GaN-enheten kan beregnes ved å bruke driverens datablad:

Forutsatt switching på 250 kHz og verdiene nedenfor, kan A P_D beregnes:

Driverkonfigurasjonen resulterer i et effekttap på 100 mW, noe som ligger godt innenfor egenskapene til GMR10Dx- og GMR04B00x-modulene. GMR10Dx-modulen er i stand til å gi betydelig mer strøm enn det som kreves for driveren, noe som sikrer en robust strømforsyning for driften.

HV GaN-oppsett for driver

GMR10Dx-modulen leverer de nødvendige forspenningene for både øvre og nedre GaN-drivere i en halvbrokonfigurasjon (HB – half-bridge). Figur 8 illustrerer tilkoblingene for GaN-driverne fra splitterne.

Riktig referanse av forspenningsreturene er avgjørende for å forhindre uregelmessig switchingadferd og potensiell skade på GaN-enhetene. Brukere bør følge retningslinjene og anbefalingene som er gitt i de spesifikke GaN-databladene og utrustningsmerknadene for å sikre korrekt og sikker drift. Du finner ytterligere veiledning i utrustningsorienteringen til databladet for den integrerte GMR04Bx-modulen med to direkte drivere.

Figur 8: Totempælsammenstilling og klassisk halvbrokonfigurasjon med direktetilkoblinger med splittede drivere til GaN-switcher. (Bildekilde: Ganmar Technologies)

GMR04B00x-modulen leverer den nødvendige jordingsfrie forspenningen for den øvre GaN-switch-gate-driveren, noe som eliminerer behovet for ytterligere kretser, for eksempel en jordingsfri bootstrap-kondensator for å generere den nødvendige forspenningen.

Med GMR04B00x-modulene kan de jordingsfrie gate-driverspenningene kobles direkte til gatene for både den øvre og nedre GaN-switchen, noe som gir en stabil gate-driver på ±5,6 V. Denne tilnærmingen forenkler konstruksjonen ved å ta bort behovet for at styringen skal switche den nedre enheten for å generere forspenningen for den øvre gate-driveren.

Ved hjelp av GMR04B00x-modulene kan de ønskede gate-driverspenningene oppnås for både øvre og nedre GaN-switcher, uten kompleksiteten og tilleggskomponentene som kreves av alternative forspenningsmetoder.

Det eldre bootstrap-skjemaet som er vist på figur 9 har flere ulemper, for eksempel behovet for ekstra komponenter som dioder og ikke-polare kondensatorer, hvis verdier kan trenge justering basert på de spesifikke kravene til GaN-enheten eller andre enheter. Oppstartsproblemer og mangel på en stiv forspenning er betydelige bekymringer med denne tilnærmingen. I tillegg er det eldre bootstrap-skjemaet inkompatibelt med topolede HB-noder.

Figur 9: Skjema for eldre driverforspenning med jordingsfri gate. (Bildekilde: Ganmar Technologies)

Den kompakte utformingen av GMR10Dx- og GMR04B00x-modulene, kombinert med deres tilknyttede utvidelser, fremhever derimot deres plassbesparende fordeler. Dette gjør dem til en praktisk løsning for utrustninger som krever virkningsfull forspenning og korrekt referanse.

Strømføling

Figur 10 og 11 illustrerer integreringen av strømføling ved å bruke shuntmotstander med GMR10Dx- og GMR04B00x-modulene. Shuntmotstandene brukes ofte til å måle og overvåke strømmen som flyter gjennom en krets. Ved å plassere disse motstandene strategisk i strømbanen, kan spenningsfallet over dem måles og brukes til å beregne strømmen.

I forbindelse med GMR-modulene, er shuntmotstandene for strømføling koblet i serie med lasten eller en isolert strømfølingsmodul med høy båndbredde. Dette oppsettet sikrer nøyaktig strømføling og -overvåking. GMR-modulene gir de nødvendige jordingsfrie eller jordrefererte forspenningene og strømmen som kreves for å støtte strømfølingssystemene, noe som sikrer pålitelige og nøyaktige målinger.

Ved å integrere strømføling i systemkonstruksjonen kan brukere innhente verdifull informasjon om strømnivåer og overvåke kretsens eller systemets ytelse. Dette er spesielt nyttig i utrustninger som krever nøyaktig strømstyring eller beskyttelse, for eksempel motorstyring, kraftelektronikk eller fornybare energisystemer.

Figur 10: Eldre strømfølende shuntmotstand. (Bildekilde: Ganmar Technologies)

Figur 11: GMRCS000 ikke-avledende strømføling. (Bildekilde: Ganmar Technologies)

Ganmar Technologies tilbyr GMRCSN000- og GMRCSP000-modulene som kompakte, isolerte, ikke-avledende strømsensorløsninger. Disse modulene gir isolert strømføling med høy båndbredde, uten at det kreves ekstra shuntmotstander i strømbanen. Dette eliminerer strømtap og forenkler konstruksjonen.

GMRCSN000- og GMRCSP000-modulene detekterer strømmen som flyter gjennom kretsen og tilbyr to utgangspolariteter: 0 til +Vsense og –Vsense til 0. Disse utgangsområdene er egnet for direkte tilkobling med A-D-omformeren (ADC – Analog-til-Digital Converter) for integrerte styringer eller for analoge styringer som brukes i brofrie PFC-utrustninger.

Bruken av GMRCSN000- eller GMRCSP000-modulene forenkler implementeringen av strømføling, sparer verdifull kortplass og sikrer nøyaktige og isolerte strømmålinger. Kontakt tekniske støtte hos Ganmar Technologies for å få detaljert hjelp og integrasjonsveiledning og mer informasjon om disse modulene og deres aktuelle delenumre.

Konklusjon

Denne artikkelen har beskrevet en omfattende konstruksjonstilnærming for systemoppstart og -forspenning ved å bruke GMR10Dx- og GMR04B00x-modulene sammen med høyspente GaN-switcher med høy effekt. Fokuset er på GaN-switcher fra Infineon, som vanligvis brukes i utrustninger som 3-fasemotorer, 3-faseomformere og Nivå 3-elbilladere.

Konstruksjonen gir flere fordeler sammenlignet med eldre tilnærminger, deriblant forbedret pålitelighet, kompakthet og virkningsgrad. GMR10Dx- og GMR04B00x-modulene gir en allsidig og robust løsning for systemoppstart og -forspenning, og tilbyr direkte tilkoblinger til gatene for disse switchene.

I tillegg introduserte artikkelen GMRCSN000- og GMRCSP000-modulene, som tilbyr en kompakt, ikke-avledende strømfølingsløsning med fleksible utgangsegenskaper. Disse modulene forenkler implementeringen av strømføling og gir nøyaktige, isolerte strømmålinger.

For kunder som er interessert i å implementere disse konstruksjonene med komponenter fra Ganmar Technologies, er skjemaer, materiallister og layouter (der det er aktuelt) tilgjengelige i KiCad-kompatibelt Altium-format. Kontakt teknisk kundestøtte eller salgsteamet hos Ganmar Technologies for å få tilgang til ytterligere diskusjoner, prisforespørsler og tilgjengelighet.

Ved å dra nytte av konstruksjonstilnærmingene og -løsningene som presenteres i denne artikkelen, kan konstruktører kraftig forbedre ytelsen og påliteligheten til systemene sine ved å bruke GaN-switcher. I tillegg kan de dra nytte av ekspertisen og støtten fra Ganmar Technologies.