Come utilizzare i dispositivi di potenza GaN per inverter di motori di fascia media di qualità superiore

La spinta verso l'uso più efficiente delle fonti energetiche, i mandati normativi più severi e i vantaggi tecnici del funzionamento più freddo sono tutti fattori che sostengono le recenti iniziative per ridurre la quantità di energia consumata dai motori elettrici. Sebbene le tecnologie di commutazione, come i MOSFET al silicio, siano molto diffuse, spesso non sono in grado di soddisfare gli obiettivi di prestazioni e di efficienza più impegnativi delle applicazioni critiche degli inverter.

I progettisti possono invece raggiungere questi obiettivi utilizzando il nitruro di gallio (GaN), una tecnologia di dispositivi FET ad ampio bandgap (WBG) che è migliorata e progredita in termini di costi, prestazioni, affidabilità e facilità d'uso. I dispositivi GaN sono ormai comuni e sono diventati la scelta preferita per gli inverter a livelli di potenza medi.

Questo articolo esamina come i FET basati su GaN di nuova generazione di Efficient Power Conversion Corporation (EPC) consentano di realizzare inverter per motori ad alte prestazioni. Le schede di valutazione presentate aiutano i progettisti a familiarizzare con le caratteristiche dei dispositivi GaN e ad accelerare la creazione di nuovi progetti.

Che cos'è un inverter?

Il ruolo di un inverter è quello di creare e regolare la forma d'onda di potenza che aziona un motore, spesso di tipo brushless c.c. (BLDC). Controlla vari requisiti, tra cui la velocità e la coppia del motore per l'avvio e l'arresto regolari, la retromarcia e la velocità di accelerazione. Deve inoltre garantire che le prestazioni desiderate del motore siano raggiunte e mantenute nonostante le variazioni di carico.

Si noti che un inverter di motore con uscita a frequenza variabile non deve essere confuso con un inverter di linea c.a. Quest'ultimo preleva la corrente continua da una sorgente come la batteria di un'automobile per fornire una forma d'onda c.a. a 120/240 V a frequenza fissa, che si avvicina a un'onda sinusoidale e può essere utilizzata per alimentare dispositivi collegati alla linea elettrica.

Perché prendere in considerazione il GaN?

I dispositivi GaN presentano caratteristiche interessanti rispetto al silicio, tra cui una maggiore velocità di commutazione, una minore resistenza di drain-source nello stato On (RDSon) e migliori prestazioni termiche. Una RDSon più bassa ne consente l'uso in comandi di motori più piccoli e leggeri e di ridurre le perdite di potenza, risparmiando energia e costi in applicazioni come le biciclette elettriche e i droni. Le minori perdite di commutazione sono ideali per comandi di motori più efficienti, in grado di estendere l'autonomia dei veicoli elettrici (EV) leggeri. Le velocità di commutazione più elevate consentono una risposta del motore a bassa latenza, essenziale per le applicazioni che richiedono un controllo preciso del motore, come la robotica. I FET GaN possono essere utilizzati anche per sviluppare azionamenti più potenti ed efficienti per i motori dei carrelli elevatori. Le capacità di gestione di correnti più elevate dei FET GaN ne consentono l'uso per motori più grandi e più potenti.

Per le applicazioni finali, i vantaggi sono la riduzione delle dimensioni e del peso, una maggiore densità di potenza ed efficienza e migliori prestazioni termiche.

Primi passi con il GaN

La progettazione di qualsiasi dispositivo di commutazione di potenza, soprattutto per correnti e tensioni medie, richiede attenzione ai minimi dettagli e alle caratteristiche uniche del dispositivo. I dispositivi GaN hanno due opzioni per la struttura interna: modalità depletion (d-GaN) e modalità potenziata (e-GaN). Un interruttore d-GaN è normalmente "acceso" e richiede un'alimentazione negativa ed è più complesso da progettare nei circuiti. Per contro, gli interruttori e-GaN sono normalmente MOSFET "spenti", il che si traduce in un'architettura di circuito più semplice.

I dispositivi GaN sono intrinsecamente bidirezionali e iniziano a condurre quando la tensione inversa che li attraversa supera la tensione di soglia del gate. Inoltre, poiché non sono in grado di funzionare a valanga, è fondamentale che abbiano una tensione nominale sufficiente. Un valore nominale di 600 V è generalmente adeguato a tensioni di bus fino a 480 V per le topologie di conversione c.c. buck, boost e ponte.

Sebbene gli interruttori GaN siano semplici nella loro funzionalità di base di commutazione di potenza on/off, sono dispositivi di potenza, quindi i progettisti devono considerare attentamente i requisiti di pilotaggio di accensione e spegnimento, la tempistica di commutazione, il layout, l'impatto delle correnti parassite, il controllo dei flussi di corrente e le cadute di corrente-resistenza (IR) sul circuito stampato.

Per molti progettisti, sfruttare i kit di valutazione è il modo più efficace per capire cosa possono fare i dispositivi GaN e come utilizzarli. Questi kit utilizzano dispositivi GaN singoli o multipli in diverse configurazioni e a vari livelli di potenza. Comprendono anche i componenti passivi associati, tra cui condensatori, induttori, resistori, diodi, sensori di temperatura, dispositivi di protezione e connettori.

Iniziare con dispositivi a potenza minore

Un ottimo esempio di FET GaN a bassa potenza è EPC2065. Ha una tensione drain-source (V_DS) di 80 V, una corrente di drain (I_D) di 60 A e una RDSon di 3,6 mΩ. Viene fornito solo nel formato die passivato con barre di saldatura e misura 3,5 × 1,95 mm (Figura 1).

Figura 1: Il FET GaN da 80 V e 60 A EPC2065 è un dispositivo passivato con barre di saldatura integrate. (Immagine per gentile concessione di EPC)

Come per altri dispositivi GaN, la struttura laterale del dispositivo EPC2065 e il diodo portante maggioritario garantiscono una carica del gate totale (Q_G) eccezionalmente bassa e una carica di recupero inverso (Q_RR) pari a zero. Queste caratteristiche lo rendono adatto a situazioni in cui sono utili frequenze di commutazione molto elevate (fino a diverse centinaia di kilohertz) e tempi di servizio ridotti, nonché a situazioni in cui dominano le perdite di stato.

Questo dispositivo è supportato da due kit di valutazione simili: EPC9167KIT per il funzionamento a 20 A/500 W e EPC9167HCKIT, più potente, per il funzionamento a 20 A/1 kW (Figura 2). Entrambe le schede sono inverter per motori BLDC trifase.

Figura 2: La parte inferiore (sinistra) e superiore (destra) della scheda EPC9167. (Immagine per gentile concessione di EPC)

La configurazione di base del kit EPC9167KIT utilizza un singolo FET per ogni posizione di commutazione e può erogare fino a 15 A_RMS (valore nominale) e 20 A_RMS (valore di picco) di corrente per fase. Invece, la configurazione a corrente più elevata di EPC9167HC utilizza due FET in parallelo per posizione di commutazione e può erogare correnti massime fino a 20 A_RMS/30 A_RMS (nominale/picco), dimostrando la relativa facilità con cui i FET GaN possono essere configurati in parallelo per correnti di uscita più elevate. Nella Figura 3 viene illustrato un diagramma a blocchi della scheda base EPC9167.

Figura 3: Diagramma a blocchi della scheda base EPC9167 in un'applicazione di azionamento BLDC; EPC9167HC a potenza maggiore ha due dispositivi EPC2065 in parallelo per ogni interruttore, mentre EPC9167 a potenza minore ha solo un FET per interruttore. (Immagine per gentile concessione di EPC)

Il kit EPC9167KIT contiene tutti i circuiti critici per supportare un inverter completo per il comando di motori, compresi i gate driver, i rail di alimentazione ausiliaria regolata per la gestione interna, il rilevamento di tensione, temperatura e corrente e le funzioni di protezione.

EPC9167 si abbina a diversi controller compatibili ed è supportato da vari produttori. Può essere configurato rapidamente come inverter per l'azionamento di motori o come convertitore c.c./c.c., sfruttando le risorse esistenti per lo sviluppo rapido. Nel primo ruolo, fornisce la conversione c.c./c.c. multifase che supporta frequenze di commutazione a modulazione della larghezza di impulso (PWM) fino a 250 kHz in applicazioni di comando motore; per applicazioni c.c./c.c. non sui motori, funziona fino a 500 kHz.

Una potenza superiore

All'altro estremo dell'intervallo di potenza c'è il modello EPC2302, un FET GaN con una potenza nominale di 100 V/101 A e una RDSon di soli 1,8 mΩ. È adatto ad applicazioni c.c./c.c. ad alta frequenza da 40 a 60 V e a comandi di motori BLDC da 48 V. A differenza dell'imballaggio passivato del die con barre di saldatura utilizzato per EPC2065, questo FET GaN è alloggiato in un contenitore QFN a bassa induttanza di 3 × 5 mm la cui parte superiore è esposta per una gestione termica superiore.

La resistenza termica alla parte superiore della scatola è bassa, appena 0,2 °C per watt, con un comportamento termico eccellente e una maggiore facilità di raffreddamento. La parte superiore esposta migliora la gestione termica del lato superiore, mentre i fianchi impregnabili lateralmente garantiscono che l'intera superficie della piazzola laterale sia impregnata di lega saldante durante la saldatura a rifusione. In questo modo si protegge il rame e si può saldare su quest'area del fianco esterno per facilitare l'ispezione ottica.

L'ingombro di EPC2302 è pari a meno della metà di quello del miglior MOSFET al silicio con RDSon e valori di tensione simili, mentre i suoi valori di Q_G e Q_GD sono significativamente più piccoli e la Q_RR è nulla. Ciò comporta una riduzione delle perdite di commutazione e delle perdite del gate driver. EPC2302 funziona con un tempo morto inferiore a 10 ns per una maggiore efficienza, mentre la _QRR a valore zero migliora l'affidabilità e riduce al minimo le interferenze elettromagnetiche (EMI).

Per esercitarsi con EPC2302, la scheda di valutazione per la gestione dell'alimentazione del controller motore/driver EPC9186KIT supporta motori fino a 5 kW e può erogare una corrente di uscita massima di 150 A_RMS e 212 A_PEAK (Figura 4).

Figura 4: La parte superiore (sinistra) e inferiore (destra) della scheda di valutazione EPC9186KIT da 5 kW per EPC2302. (Immagine per gentile concessione di EPC)

Per raggiungere questa corrente nominale più elevata, EPC9186KIT utilizza quattro FET GaN in parallelo per ogni posizione di commutazione, dimostrando la facilità di utilizzo di questo approccio per livelli di corrente più elevati. La scheda supporta frequenze di commutazione PWM fino a 100 kHz in applicazioni di comando motore e contiene tutte le funzioni critiche per supportare un inverter completo, tra cui gate driver, alimentatori ausiliari regolati per la gestione interna, rilevamento accurato di tensione temperatura e corrente e funzioni di protezione.

Conclusione

Gli inverter di motori sono il nesso fondamentale tra una fonte di alimentazione di base e un motore. La progettazione di inverter più piccoli, più efficienti e più performanti è un obiettivo sempre più importante. Sebbene i progettisti abbiano la possibilità di scegliere la tecnologia di processo per i dispositivi di commutazione di potenza critici utilizzati dagli inverter di fascia media, i dispositivi GaN, come quelli offerti da EPC, sono la scelta preferita.