Ottimizzazione dei controller di potenza nel controllo di motori industriali con i moduli GMR10Dx per soluzioni di polarizzazione multifase

Questo articolo illustra le sfide progettuali e le considerazioni chiave legate allo sviluppo di un controller di potenza multifase affidabile e sicuro. Utilizza il modulo convertitore c.c./c.c. isolato GMR10Dx con uscite flottanti, abbinato ai doppi moduli di alimentazione gate driver di commutazione ad ampio bandgap altamente integrati di Ganmar Technologies. Il design e la costruzione di questi moduli sono ottimizzati per soddisfare i requisiti di sistema in termini di affidabilità, sicurezza, EMI e gestione termica.

A titolo di esempio viene presentato un sistema che mostra un ingresso c.a. trifase che alimenta uno stadio di correzione del fattore di potenza (PFC), seguito da un carico elevato, come un motore di grado industriale, con controllo in modalità di modulazione della larghezza di impulso (PWM). Il progetto è particolarmente incentrato sul pilotaggio degli interruttori GaN ad alta tensione di Infineon (ex GaN Systems), fornendo una soluzione di circuito pratica. Vengono affrontate le limitazioni dei metodi tradizionali per il pilotaggio degli interruttori totem pole a semiponte (HB) ed esplorate soluzioni alternative per il controllo degli interruttori superiori e inferiori. Vengono presentati progetti di circuiti pratici in grado di assicurare un funzionamento affidabile e sicuro, al contempo riducendo al minimo i requisiti di spazio. Questa nota tratta inoltre il rilevamento della corrente a bassa perdita e alta larghezza di banda per semplificare ulteriormente il processo di progettazione.

L'ambiente di progettazione odierno presenta numerose sfide, quali la necessità di hardware compatto, consumi ridotti per un raffreddamento efficiente, maggiore affidabilità con una gestione termica ottimizzata e soluzioni economicamente vantaggiose. Il tutto è ulteriormente complicato dai budget ridotti e dalle tempistiche di sviluppo più brevi. Per affrontare queste sfide, l'articolo illustra sottosistemi standard e componenti costitutivi che aiutano i team di progettazione a sfruttare l'esperienza e la conformità dei fornitori di sottosistemi.

Utilizzando i moduli di conversione di potenza e di interfaccia di Ganmar Technologies, questo articolo offre una soluzione ottimale a queste sfide progettuali. I moduli forniti consentono lo sviluppo efficiente di un sistema di pilotaggio del gate multifase, mentre il loro fattore di forma standardizzato consente di risparmiare spazio prezioso sulla scheda principale.

Progettazione di un controller di potenza a polarizzazione per un sistema generale ad alta potenza e alta tensione trifase utilizzando il dispositivo GMR10Dx

Questa sezione illustra le considerazioni progettuali per la creazione di un controller di potenza a polarizzazione in un sistema ad alta potenza e alta tensione utilizzando i moduli di conversione c.c./c.c. GMR10Dx, insieme alla polarizzazione del gate driver flottante fornita dai moduli GMR04B00x. Come mostrato nella Figura 1a, il sistema può includere un carico elevato con controllo PWM, come un motore industriale, che incorpora più interruttori e richiede varie tensioni di polarizzazione per blocchi funzionali differenti. Di seguito sono riportate le ipotesi principali per il progetto:

• Considerazioni sulle EMI: il sistema richiede un fattore di potenza quasi unitario, che implica l'uso di un PFC.
• Logica di avvio: il PFC include un processore, che richiede una logica di avvio indipendente per i convertitori di polarizzazione.
• Dissipazione di potenza: la riduzione della dissipazione di potenza nell'elettronica del controller è fondamentale per l'affidabilità e la semplificazione dei requisiti del sistema di raffreddamento.
• Uso di prodotti di serie: il progetto massimizza l'uso di componenti facilmente reperibili.

La Figura 1a fornisce una configurazione generale del sistema come riferimento visivo per le successive discussioni sul progetto.

Figura 1a: Polarizzazione e avvio di un sistema industriale di controllo di carichi elevati. (Immagine per gentile concessione di: Ganmar Technologies)

Facendo riferimento al diagramma a blocchi della Figura 1a, questa sezione si concentrerà sulla progettazione del controller di potenza a polarizzazione e sulla sua integrazione nel sistema complessivo. Saranno esplorate opzioni di progettazione per ogni funzione, con l'esclusione del controller PFC e PWM, a causa della necessità di informazioni più specifiche sui requisiti di interfaccia del sistema per affrontare in modo approfondito queste funzioni. Di conseguenza, questo articolo non tratterà in dettaglio tali componenti. Si presume che il sistema utilizzi interruttori GaN per alte tensioni, come il dispositivo GS66516T di Infineon, anche se verranno prese in considerazione tecnologie di commutazione alternative, come gli interruttori SiC o bipolari.

Inoltre, questo articolo illustra i moduli gate driver flottanti ad alimentazione autonoma altamente integrati di Ganmar Technologies, in particolare GMR04B00x. La "x" nel numero del modello indica le varie opzioni di chip di gate driver doppi disponibili. Per le specifiche e le opzioni dettagliate, consultare la scheda tecnica di GMR04B00x.

Controller di potenza a polarizzazione

Il controller di potenza a polarizzazione è progettato per offrire protezione da abbassamenti di tensione per bassi valori di ingresso c.a. (UVLO) e per fornire uno spegnimento senza blocco nel caso in cui gli ingressi c.a. superano il limite massimo impostato (OVLO). Quando l'ingresso c.a. è entro i valori operativi di sicurezza, il modulo GRM10Dx genera uscite c.c. isolate a tensioni comuni, tipicamente 6 V e 22 V. Nei sistemi più grandi, possono essere necessarie forme di tensione aggiuntive. La Figura 1b illustra una configurazione tipica per ottenere queste tensioni. Un'uscita a bassa potenza a 5 V viene utilizzata per alimentare il chip gate driver doppio nel modulo GMR04B00x, nello specifico ADUM7223 di Analog Devices. Per le altre opzioni disponibili, consultare la scheda tecnica di GMR04B00x.

Figura 1b: Forme tipiche dei circuiti di giunzione derivate dal dispositivo GMR10Dx. (Immagine per gentile concessione di: Ganmar Technologies)

Il modulo GMR04B00x alimenta internamente il proprio lato flottante per fornire due polarizzazioni a 12 V. L'high-side a 12 V (12VH) polarizza il driver di uscita VIA per l'interruttore di alimentazione superiore, con il livello di pilotaggio del gate a +5,6 V/-5,6 V rispetto al nodo HBU. Configurazioni analoghe a pilotaggio separato sono applicate intorno ai circuiti di fase V e W.

Per l'interruttore inferiore, un valore di 12VL separato viene generato internamente dal modulo GMR04B00x, cui può essere fatto riferimento con il nodo di ritorno dell'alimentazione low-side di qualsiasi polarità. L'uscita VIB di ADUM7223, ad esempio, viene divisa in +5,6 V/-5,6 V dalla rete dello sdoppiatore, assicurando il corretto funzionamento dell'interruttore GaN inferiore.

Per gli interruttori SiC, una versione differente del modulo GMR04B00x fornisce 15 V, 18 V o 22 V, che possono essere impostati in fabbrica per adattarsi a vari interruttori SiC ad alta potenza. Le uscite del circuito di sdoppiamento forniscono una polarizzazione ± flottante per il pilotaggio degli interruttori al carburo di silicio sui lati alti e bassi rispetto ai nodi superiori HBU/V/W e analogamente per i nodi inferiori di qualsiasi polarità. Per le opzioni disponibili, consultare la scheda tecnica di GMR04B00x.

La sezione del controller di potenza a polarizzazione, insieme agli LDO illustrati nella Figura 1b, alimenta gli altri due moduli di interfaccia GRM04B00x collegati direttamente ai gate in corrispondenza dei nodi V e W. Inoltre, l'uscita a 22 V può alimentare controller analogici, sezioni digitali e chip di I/O sulla scheda dell'utente tramite LDO. Per requisiti di potenza superiori, gli utenti possono consultare la Nota applicativa per informazioni sul collegamento in parallelo dei moduli GMR10Dx.

Problemi di avvio

È fondamentale fornire una fonte di alimentazione stabile ai processori digitali prima che diventino operativi. Ciò richiede il funzionamento del controller di polarizzazione da una fonte di alimentazione indipendente dal PFC. Il circuito del convertitore di potenza di Ganmar consuma fino a 18 W dalla sorgente c.a., quindi ha un impatto minimo sulle relazioni di fase dell'ingresso c.a.. Il modulo GMR10DX supporta un intervallo di tensioni di ingresso da 100 V_c.c. a 320 V_c.c., che copre l'intervallo tipico delle applicazioni offline.

Per le tensioni di sorgente più elevate spesso riscontrate nelle applicazioni ad alta potenza, in cui i raddrizzatori possono produrre fino a 380 V, rivolgersi all'Assistenza tecnica di Ganmar per informazioni su altre opzioni della serie GMR10Dx.

La Figura 2 illustra un tipico raddrizzatore a ponte a 6 diodi idoneo per l'avvio del sistema con questo modulo. Una volta che l'ingresso c.a. supera i 42 V_RMS circa (60 Hz o 400 Hz), con un'uscita risultante di 200 V_c.c. dal ponte con un piccolo condensatore da 10 µF, i moduli inizieranno a produrre uscite con un ritardo massimo di 70 ms in condizioni di basso carico. Questo ritardo è accettabile in quanto nessun altro blocco di sistema assorbe energia durante l'avvio.

Durante gli eventi transitori, se gli ingressi c.a. causano il superamento dell'intervallo di sicurezza del raddrizzatore a ponte a 6 diodi, il modulo si spegne finché la tensione raddrizzata non torna a un livello sicuro. Inoltre, una funzione di protezione dagli abbassamenti di tensione (sottotensione) si attiva se la tensione raddrizzata scende al di sotto di 100 V.

Figura 2: Assorbimento di 18 W max dall'ingresso c.a. direttamente per l'avvio e la polarizzazione. (Immagine per gentile concessione di: Ganmar Technologies)

Filtraggio in ingresso

I moduli di commutazione di potenza, come GRM10Dx, presentano una caratteristica di impedenza "negativa" nei confronti delle fonti di alimentazione in ingresso. Questa caratteristica richiede un'attenta progettazione del filtraggio per assicurare la stabilità dell'interfaccia. Mentre la progettazione dettagliata dei filtri di ingresso è ampiamente trattata in vari rapporti e pubblicazioni, questo articolo fornisce una breve panoramica delle caratteristiche di ingresso del modulo GRM10Dx.

Per un tipico carico di potenza costante di 15 W dovuto al pilotaggio GaN, con una tensione del raddrizzatore di 200 V e un'efficienza dello 0,85, l'impedenza equivalente viene calcolata come |200²/(15/η)|, il cui risultato è circa 3,14 kΩ. Questa impedenza è relativamente alta rispetto all'impedenza di sorgente, pertanto è più semplice per il filtro richiesto bypassarla efficacemente. Tuttavia, è consigliabile installare un condensatore di smorzamento da 10 µF/400 V in prossimità del modulo GRM10Dx. Il modulo stesso include un condensatore da 0,47 µF per gestire i picchi di corrente istantanea dovuti a eventi di commutazione interni. La resistenza equivalente in serie (ESR) del condensatore esterno non è critica, purché il filtro PFC principale offra uno smorzamento sufficiente.

Ganmar Technologies fornisce anche un modulo raddrizzatore a ponte di ingresso c.a. legacy, completo di fusibile e filtro EMI, per l'agevole integrazione con il modulo GRM10Dx. Questo semplifica il processo di collegamento alla sorgente c.a.. Per informazioni dettagliate sull'integrazione di questo modulo, rivolgersi all'Assistenza tecnica di Ganmar.

Polarizzazione del driver

Le figure 3 e 4 mostrano lo schema e una foto del modulo GMR10D000, un convertitore c.c./c.c. isolato in grado di erogare 15 W con uscite doppie. V_OUT1 fornisce tipicamente 6,5 V a 3 W, mentre V_OUT2 fornisce 22 V a 12 W. Entrambe le uscite raggiungono lo stato stazionario entro 10 ms. Questa sezione spiega come collegare le funzioni illustrate nella Figura 1 ai dispositivi GMR10Dx per ottenere le funzionalità e le prestazioni desiderate.

Figura 3: Collegamento trifase. (Immagine per gentile concessione di: Ganmar Technologies)

Figura 4: Il modulo GMR10D000. (Immagine per gentile concessione di: Ganmar Technologies)

La Figura 5 illustra le interconnessioni tra più moduli GMR10Dx per svolgere le funzioni del controller di potenza a polarizzazione. In questa sezione viene fornita una spiegazione dettagliata dell'applicazione di GMR04B008 nel contesto del blocco HS-U. Gli altri due moduli possono essere replicati facilmente collegando i ritorni di riferimento che corrispondono ai rispettivi nodi.

Figura 5: Schema funzionale del lato di pilotaggio del modulo (mostrato con GMR10D005). (Immagine per gentile concessione di: Ganmar Technologies)

La Figura 6 mostra la disponibilità di un'alimentazione a 22 V rispetto al nodo GNDS, comunemente indicato come "terra".

Figura 6: Schema interno di GMR04B00x con alimentazione del gate flottante e azionamenti diretti. (Immagine per gentile concessione di: Ganmar Technologies)

Requisiti di interfaccia dello stadio di potenza

Come illustrato nella Figura 6, nei sistemi GaN si raccomanda generalmente di applicare una tensione di polarizzazione negativa per spegnere i dispositivi di potenza GaN, in particolare nelle topologie hard-switching in cui le correnti superano i 30 A. La Figura 7 presenta un grafico che illustra questo approccio (per gentile concessione di Infineon).

Figura 7: Effetti della tensione V_EE sulla dinamica di spegnimento. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Implementazione e caratteristiche di accensione/spegnimento - L'implementazione di sdoppiatori per i dispositivi di Infineon assicura tensioni di accensione e spegnimento efficienti, al contempo riducendo al minimo le perdite per trasferimento. Le forme d'onda di comando divise e il design del dispositivo GS66xx di Infineon contribuiscono a migliorare l'efficienza, insieme a un design unico del trasformatore che riduce i picchi di sovraoscillazione durante il processo di spegnimento di GS66xx.

Accensione/spegnimento

Per un'accensione completa, è necessario un pilotaggio del gate a 5,6 V, con un'induttanza parassita minima e un accoppiamento capacitivo tra le tracce e i nodi di commutazione sensibili. È essenziale il rispetto delle linee guida del fornitore di GaN per il posizionamento e l'instradamento corretti dei circuiti.

Durante lo spegnimento, la tensione di gate-source (V_GS) deve essere significativamente inferiore alla tensione di soglia (V_TH), con un livello di riferimento di circa 0 V nei circuiti qui trattati. Questo articolo presuppone l'uso del gate driver in CI ADUM7223 di Analog Devices. È importante osservare che il blocco di sottotensione (UVLO) in uscita del driver è di 5 V, il che lo rende adatto al pilotaggio del gate a 5,6 V richiesto dai dispositivi GaN. La potenza dissipata dal driver per questo GaN può essere calcolata utilizzando la scheda tecnica del driver:

Presupponendo la commutazione a 250 kHz e i valori riportati di seguito, è possibile calcolare A_PD:

La configurazione del driver comporta una dissipazione di 100 mW, che rientra nelle capacità dei moduli GMR10Dx e GMR04B00x. Il modulo GMR10Dx è in grado di fornire una potenza significativamente superiore a quella richiesta dal driver, assicurando un'alimentazione robusta per il suo funzionamento.

Configurazione GaN HV per il driver

Il modulo GMR10Dx fornisce le tensioni di polarizzazione necessarie per i driver GaN superiori e inferiori in una configurazione a semiponte (HB). La Figura 8 illustra i collegamenti per i driver GaN dagli sdoppiatori.

Il corretto riferimento dei ritorni di polarizzazione è fondamentale per evitare un comportamento di commutazione irregolare e potenziali danni ai dispositivi GaN. Per garantire un funzionamento corretto e sicuro, gli utenti devono attenersi alle linee guida e alle raccomandazioni fornite nelle note applicative e nelle schede tecniche GaN specifiche. Ulteriori indicazioni sono contenute nelle schede delle applicazioni della scheda tecnica del doppio modulo driver diretto integrato GMR04Bx.

Figura 8: Disposizione totem-pole e configurazione classica a semiponte con connessioni dirette di pilotaggio separato agli interruttori GaN. (Immagine per gentile concessione di: Ganmar Technologies)

Il modulo GMR04B00x fornisce la tensione di polarizzazione flottante necessaria per il gate driver di commutazione GaN superiore, eliminando la necessità di circuiti aggiuntivi quali un condensatore bootstrap volante per generare la tensione di polarizzazione richiesta.

Con i moduli GMR04B00x, le tensioni flottanti di pilotaggio del gate possono essere collegate direttamente ai gate degli interruttori GaN superiore e inferiore, fornendo un pilotaggio del gate stabile a ±5,6 V. Questo approccio semplifica il progetto eliminando la necessità che il controller commuti il dispositivo inferiore per generare la polarizzazione per il gate driver superiore.

L'uso dei moduli GMR04B00x consente di ottenere le tensioni di pilotaggio del gate desiderate per gli interruttori GaN superiore e inferiore senza la complessità e i componenti aggiuntivi richiesti da metodi di polarizzazione alternativi.

Lo schema di bootstrap legacy illustrato nella Figura 9 presenta diversi inconvenienti, tra cui la necessità di componenti aggiuntivi come diodi e condensatori non polarizzati, i cui valori potrebbero dover essere regolati in base ai requisiti specifici dei dispositivi GaN o di altri dispositivi. I problemi di avviamento e la mancanza di una polarizzazione rigida sono problemi significativi di questo approccio. Inoltre, lo schema di bootstrap legacy è incompatibile con i nodi HB bipolari.

Figura 9: Schema di polarizzazione del gate driver flottante legacy. (Immagine per gentile concessione di: Ganmar Technologies)

Al contrario, il layout compatto dei moduli GMR10Dx e GMR04B00x, insieme alle estensioni associate, ne evidenzia i vantaggi in termini di risparmio di spazio. Questo li rende una soluzione pratica per le applicazioni che richiedono polarizzazione efficiente e riferimento corretto.

Rilevamento della corrente

Le figure 10 e 11 illustrano l'integrazione del rilevamento della corrente mediante resistori di shunt con i moduli GMR10Dx e GMR04B00x. I resistori di shunt vengono comunemente utilizzati per misurare e monitorare la corrente che scorre in un circuito. Posizionando questi resistori in modo strategico nel percorso della corrente, è possibile misurare la caduta di tensione attraverso di essi e utilizzarla per calcolare la corrente.

Nel contesto dei moduli GMR, i resistori di shunt per il rilevamento della corrente sono collegati in serie al carico o a un modulo di rilevamento della corrente isolato ad alta larghezza di banda. Questa configurazione assicura il rilevamento e il monitoraggio accurati della corrente. I moduli GMR forniscono le necessarie tensioni di polarizzazione flottanti o con riferimento a massa e l'alimentazione per supportare i sistemi di rilevamento della corrente, assicurando misurazioni affidabili e precise.

L'integrazione del rilevamento della corrente nella progettazione del sistema consente agli utenti di raccogliere informazioni preziose sui livelli di corrente, nonché di monitorare le prestazioni del circuito o del sistema. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni che richiedono la protezione o il controllo preciso della corrente, quali il controllo motori, l'elettronica di potenza o i sistemi a energia rinnovabile.

Figura 10: Rilevamento della corrente con resistore di shunt legacy. (Immagine per gentile concessione di: Ganmar Technologies)

Figura 11: Rilevamento di corrente non dissipativo GMRCS000. (Immagine per gentile concessione di: Ganmar Technologies)

Ganmar Technologies offre i moduli GMRCSN000 e GMRCSP000 come soluzioni di rilevamento della corrente compatte, isolate e non dissipative. Questi moduli forniscono un rilevamento della corrente isolato ad alta larghezza di banda senza richiedere resistori di shunt aggiuntivi nel percorso della corrente. Questo approccio elimina le perdite di potenza e semplifica il progetto.

I moduli GMRCSN000 e GMRCSP000 rilevano la corrente che scorre nel circuito e offrono due polarità di uscita: da 0 a +Vsense e da -Vsense a 0. Questi intervalli di uscita sono adatti per l'interfacciamento diretto con l'ADC (convertitore analogico/digitale) dei controller embedded o per i controller analogici utilizzati nelle applicazioni PFC senza ponte.

L'utilizzo dei moduli GMRCSN000 o GMRCSP000 semplifica l'implementazione del rilevamento di corrente, consente di risparmiare spazio prezioso sulla scheda e assicura misurazioni di corrente accurate e isolate. Per ulteriori informazioni su questi moduli e sui codici componente applicabili, contattare l'Assistenza tecnica di Ganmar Technologies per ricevere supporto e guida per l'integrazione.

Conclusione

In questo articolo è stato illustrato un approccio progettuale completo per l'avvio e la polarizzazione di un sistema utilizzando i moduli GMR10Dx e GMR04B00x in combinazione con interruttori GaN ad alta tensione e alta potenza. L'attenzione si concentra sugli interruttori GaN di Infineon, comunemente utilizzati in applicazioni quali motori trifase, inverter trifase e caricatori EV di livello 3.

Il progetto offre diversi vantaggi rispetto agli approcci legacy, tra cui affidabilità, compattezza ed efficienza maggiori. I moduli GMR10Dx e GMR04B00x rappresentano una soluzione versatile e robusta per l'avvio e la polarizzazione del sistema, offrendo collegamenti diretti ai gate di questi interruttori.

Inoltre, l'articolo presenta i moduli GMRCSN000 e GMRCSP000, che offrono una soluzione di rilevamento della corrente compatta e non dissipativa con capacità di uscita flessibili. Questi moduli semplificano l'implementazione del rilevamento di corrente e forniscono misurazioni di corrente accurate e isolate.

Per i clienti interessati a implementare questi progetti con i componenti di Ganmar Technologies, sono disponibili schemi, distinte base e layout (ove applicabile) in formato Altium compatibile con KiCad. Per ulteriori informazioni, richieste di prezzi e disponibilità, contattare l'Assistenza tecnica o il team commerciale di Ganmar Technologies.

Sfruttando gli approcci progettuali e le soluzioni presentate in questo articolo, i progettisti possono migliorare significativamente le prestazioni e l'affidabilità dei loro sistemi che utilizzano interruttori GaN. Inoltre, possono beneficiare dell'esperienza e del supporto forniti da Ganmar Technologies.