Risparmia spazio nei progetti di controllo motore con gate driver altamente integrati

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

I motori c.c. brushless (BLDC) trifase ad alta densità di potenza e alta efficienza alimentati da batterie agli ioni di litio consentono lo sviluppo di utensili elettrici cordless, aspirapolvere e biciclette elettriche. Tuttavia, per risparmiare spazio e realizzare dispositivi elettromeccanici ancora più compatti, ai progettisti viene chiesto con insistenza di ridurre ulteriormente l'elettronica del controllo motori.

La cosa non è semplice. A parte le ovvie difficoltà di far rientrare i componenti del circuito di pilotaggio in uno spazio angusto, la loro vicinanza causa problemi di gestione termica e, ovviamente, di interferenze elettromagnetiche (EMI).

Per realizzare progetti meno ingombranti, i progettisti di circuiti di controllo motori possono ricorrere a una nuova generazione di gate driver altamente integrati, l'elemento più critico di questo sistema.

Questo articolo spiegherà in primo luogo il funzionamento dei motori BLDC, per poi passare a illustrare i gate driver adatti e come utilizzarli per superare le difficoltà insite nella progettazione di sistemi di controllo motori compatti.

Realizzazione di motori elettrici più efficienti

La duplice pressione del mercato per aumentare l'efficienza energetica e ridurre lo spazio ha portato a una rapida evoluzione nella progettazione dei motori elettrici. Il motore BLDC a controllo digitale è uno dei risultati di questo progresso. La diffusione di questo motore deriva dall'utilizzo della commutazione elettronica che assicura una maggiore efficienza rispetto ai motori c.c. convenzionali (a commutazione con spazzole). Per motori che funzionano alla stessa velocità e con lo stesso carico, il miglioramento dell'efficienza va dal 20% al 30%.

Questo consente di realizzare motori BLDC più piccoli, leggeri e silenziosi per una determinata potenza erogata. I motori BLDC hanno poi altri vantaggi: una maggiore velocità rispetto alla coppia, una risposta più dinamica, un funzionamento silenzioso e intervalli di velocità più ampi. Gli ingegneri stanno anche cercando di aumentare le tensioni e le frequenze di funzionamento per far sì che un motore elettrico compatto abbia le stesse prestazioni di un motore convenzionale più grande.

La chiave del successo del motore BLDC sta nell'alimentazione in modalità a commutazione elettronica e nel circuito di controllo del motore che produce un ingresso trifase a cui si deve il campo magnetico rotante che fa girare il rotore del motore. Poiché il campo magnetico e il rotore ruotano alla stessa frequenza, il motore viene classificato come "sincrono". Sensori a effetto Hall trasmettono le rispettive posizioni dello statore e del rotore, così che il controller possa commutare il campo magnetico al momento giusto. Sono disponibili anche tecnologie senza sensori che monitorano la forza controelettromotrice (EMF) per determinare le posizioni di statore e rotore.

La configurazione più comune per applicare in sequenza la corrente a un motore BLDC trifase comprende tre coppie di MOSFET di potenza disposti in una struttura a ponte. Ogni coppia funge da inverter per convertire la tensione c.c. dell'alimentatore nella tensione c.a. necessaria per azionare un avvolgimento del motore (Figura 1). Nelle applicazioni ad alta tensione, al posto dei MOSFET vengono in genere utilizzati dei transistor bipolari a gate isolato (IGBT).

Schema del controllo di motori BLDC trifase digitali

Figura 1: Il controllo di motori BLDC trifase digitali usa in genere tre coppie di MOSFET, ognuna delle quali fornisce tensione c.a. per un avvolgimento del motore. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La coppia di transistor comprende un dispositivo low-side (sorgente collegata a massa) e un dispositivo high-side (sorgente flottante tra la massa e il rail di alimentazione ad alta tensione).

In una tipica configurazione, i gate MOSFET vengono controllati tramite la modulazione della larghezza di impulso (PWM) che converte in modo efficiente la tensione c.c. in ingresso in una tensione di comando modulata. Si dovrebbe utilizzare una frequenza PWM di almeno un ordine di grandezza superiore alla velocità massima prevista di rotazione del motore. Ogni coppia di MOSFET controlla il campo magnetico per una fase del motore. Per maggiori informazioni sul pilotaggio di motori BLDC, vedere "Come alimentare e controllare motori c.c. brushless" nella Biblioteca articoli.

Il sistema di controllo di motori elettrici

Un sistema di controllo motori completo comprende un alimentatore, un microcontroller host, un gate driver e i MOSFET in una topologia a semiponte (Figura 2). I microcontroller determinano il ciclo di lavoro PWM e presiedono al controllo a circuito aperto. Nei progetti a bassa tensione, talvolta il gate driver e il ponte a MOSFET sono integrati in un'unica unità. Per unità di potenza superiore, però, per semplificare la gestione termica, consentire l'uso di tecnologie di processo diverse per gate driver e ponte e per ridurre al minimo le EMI, il gate driver e il ponte a MOSFET sono separati.

Schema del controllo elettronico di motori BLDC

Figura 2: Schema del controllo elettronico di motori BLDC basato su un microcontroller MSP 430 di TI. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il ponte a MOSFET può essere costituito da dispositivi discreti o chip integrati. L'inclusione di MOSFET low-side e high-side nello stesso contenitore offre un vantaggio importante: consente l'equalizzazione termica naturale tra i MOSFET sopra e quelli sotto anche se hanno una dissipazione di potenza diversa. Ogni coppia di transistor, sia discreti che integrati, richiede un gate driver indipendente per controllare la temporizzazione della commutazione e la corrente di comando.

Per la progettazione dei circuiti dei gate driver si possono usare anche componenti discreti. Questo approccio ha il vantaggio di consentire agli ingegneri di calibrare con precisione il gate driver in funzione delle caratteristiche del MOSFET e di ottimizzare le prestazioni. Per contro, richiede una notevole esperienza nella progettazione di motori e nella gestione dello spazio necessario per accogliere la soluzione discreta.

Le soluzioni modulari di controllo motori offrono un'alternativa e sul mercato esiste un'ampia scelta di gate driver integrati. Le migliori soluzioni modulari di gate driver hanno:

  • Livelli elevati di integrazione per ridurre al minimo lo spazio richiesto dal dispositivo
  • Elevata corrente di comando per ridurre le perdite di commutazione e migliorare l'efficienza
  • Alta tensione del gate driver per garantire che il MOSFET conduca con una resistenza interna minima ("RDSon")
  • Livelli elevati di protezione da sovracorrente, sovratensione e sovratemperatura per consentire un funzionamento affidabile del sistema anche nelle condizioni peggiori

Dispositivi come quelli della famiglia di gate driver trifase DRV8323x di Texas Instruments riducono il numero dei componenti del sistema, i costi e la complessità pur soddisfacendo le richieste dei motori BLDC ad alta efficienza.

La famiglia DRV8323x è offerta in tre varianti. Ognuna prevede tre gate driver integrati in grado di pilotare una coppia di MOSFET high-side e low-side. I gate driver includono una pompa di carica per generare tensione di gate elevata (supporto del circuito di pilotaggio fino al 100%) per i transistor high-side e un regolatore lineare per alimentare i transistor low-side.

I gate driver di TI includono amplificatori di rilevamento configurabili anche per amplificare la tensione attraverso i MOSFET low-side, se richiesto. I dispositivi hanno una capacità di erogazione fino a 1 A, una corrente di comando di picco dell'assorbimento dei gate di 2 A e operano da un singolo alimentatore con un ampio intervallo dell'alimentazione di ingresso da 6 a 60 V.

La versione DRV8323R, ad esempio, integra tre amplificatori bidirezionali di rilevamento della corrente per monitorare il livello della corrente che attraversa ogni ponte a MOSFET utilizzando un resistore di shunt low-side. L'impostazione del guadagno dell'amplificatore di rilevamento della corrente può essere regolata tramite SPI o l'interfaccia hardware. Il microcontroller è collegato a EN_GATE di DRV8323R, per cui può abilitare o disabilitare le uscite dei gate driver.

Il dispositivo DRV8323R integra anche un regolatore buck da 600 mA che può essere utilizzato per alimentare un controller esterno. Questo regolatore può usare l'alimentazione del gate driver o un'alimentazione separata (Figura 3).

Schema del gate driver altamente integrato DRV8323R di Texas Instruments

Figura 3: Gate driver altamente integrati come DRV8323R di TI riducono il numero di componenti del sistema, i costi, la complessità e lo spazio richiesto. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

I gate driver includono numerose funzioni di protezione fra cui blocco per sottotensione di alimentazione, blocco per sottotensione della pompa di carica, monitoraggio della sovracorrente, rilevamento di cortocircuito dei gate driver e messa fuori servizio per sovratemperatura.

Ogni DRV832x è contenuto in un chip di appena 5 x 5 mm fino a 7 x 7 mm (a seconda delle opzioni). Questi dispositivi riducono lo spazio che altrimenti sarebbe richiesto dagli oltre 24 componenti discreti.

Progettazione con gate driver integrati

Per aiutare i progettisti, TI offre un progetto di riferimento, TIDA-01485. Questo progetto, con stadio di potenza da 1 kW e un'efficienza del 99%, si riferisce a un motore BLDC trifase da 36 V per applicazioni come utensili elettrici alimentati da una batteria agli ioni di litio a dieci celle.

Il progetto di riferimento mostra come l'utilizzo di un gate driver altamente integrato come DRV8323R riduca lo spazio richiesto nella progettazione del controllo motori. Rappresenta la base per uno dei circuiti di controllo motori più piccoli a questo livello di potenza. Il progetto di riferimento implementa il controllo basato su sensori. (Vedere "Perché e come controllare in modo sinusoidale i motori c.c. brushless trifase" nella Biblioteca articoli.)

I principali elementi del progetto di riferimento sono un microcontroller MSP430F5132, il gate driver DRV8323R e tre blocchi di potenza MOSFET a semiponte da 60 V CSD88599 (Figura 4).

Schema del progetto di riferimento TIDA-01485 di Texas Instruments, con stadio di potenza da 1 kW e un'efficienza del 99%

Figura 4: TIDA-01485 è un progetto di riferimento con stadio di potenza da 1 kW e un'efficienza del 99% per un motore BLDC trifase a 36 V che può essere alimentato da una batteria agli ioni di litio a dieci celle. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Anche se il gate driver è una soluzione modulare altamente integrata che elimina molte delle complessità di un progetto discreto, per realizzare un sistema pienamente funzionale sono necessari altri interventi di progettazione. Il progetto di riferimento aiuta il progettista a disegnare un prototipo dimostrando una soluzione completa.

Ad esempio, per funzionare correttamente il gate driver richiede diversi condensatori di disaccoppiamento. Nel progetto di riferimento, un condensatore da 1 μF (C13) disaccoppia la tensione di pilotaggio (DVDD) dei MOSFET low-side derivata dal regolatore di tensione interno di DRV8323R (Figura 5). Questo condensatore va posizionato il più vicino possibile al gate driver per ridurre al minimo l'impedenza dell'anello. Per disaccoppiare l'ingresso dell'alimentazione c.c. (PVDD) dalla batteria da 36 V serve un secondo condensatore di disaccoppiamento con un valore di 4,7 μF (C10).

Schema del circuito di applicazione per i gate driver DRV8323R di Texas Instruments

Figura 5: Circuito di applicazione per i gate driver DRV8323R. Per limitare le EMI, la lunghezza delle tracce deve essere ridotta al minimo. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il diodo D6 aiuta a isolare l'alimentazione del gate driver in caso di caduta della tensione della batteria durante un cortocircuito. Questo diodo è importante perché la sua presenza consente al condensatore di disaccoppiamento PVDD (C10) di mantenere la tensione di ingresso in caso di cadute di breve durata.

Il mantenimento della tensione impedisce al gate driver di entrare in una condizione di blocco di sottotensione indesiderato. C11 e C12 sono i dispositivi più importanti per il funzionamento della pompa di carica e devono essere posizionati il più vicino possibile al gate driver.

È buona norma ridurre al minimo la lunghezza del circuito per i gate driver high-side e low-side, principalmente per contenere le EMI. L'anello high-side va da DRV8323 GH_X al MOSFET di potenza e torna indietro passando per SH_X. L'anello low-side va da DRV8323 GL_X al MOSFET di potenza e torna indietro passando per GND.

L'importanza della temporizzazione della commutazione

Perché i motori BLDC siano altamente efficienti e performanti, occorre scegliere con cura i MOSFET. Dato che non esistono due famiglie di MOSFET perfettamente uguali, ogni volta la scelta dipenderà dai tempi di commutazione richiesti. Una temporizzazione anche solo lievemente errata può causare problemi come inefficienza, EMI elevate e persino guasti del motore.

Ad esempio, una temporizzazione non corretta può causare sovracorrente e l'attivazione imprevista dei MOSFET sia low-side che high-side, con un conseguente cortocircuito dagli esiti catastrofici. Vi è poi il problema dell'attivazione dei transitori provocata dalla capacità parassita che può danneggiare i MOSFET. Altri problemi sono causati anche da cortocircuiti esterni, ponti di saldatura o MOSFET che rimangono sospesi in un particolare stato.

TI definisce "intelligente" il suo gate driver DRV8323 perché permette al progettista di controllare la temporizzazione e la retroazione per eliminare questi problemi. Ad esempio, il driver include una macchina a stati interna per proteggere da cortocircuiti nel gate driver, controllare il tempo morto del ponte a MOSFET (IDEAD) e proteggere dall'attivazione parassita del MOSFET di potenza esterno.

Il gate driver DRV8323 include anche una topologia push-pull regolabile per i driver sia high-side che low-side, consentendo un forte pull-up e pull-down del ponte esterno a MOSFET mirato a evitare problemi di capacità parassita. I gate driver regolabili supportano cambiamenti al volo della corrente di comando (IDRIVE) dei gate e cambiamenti della durata (tDRIVE) (senza che siano richiesti resistori di pilotaggio dei gate di limitazione della corrente) per regolare in modo preciso il funzionamento del sistema (Figura 6).

Schema degli ingressi di tensione e corrente per transistor high-side (VGHx) e low-side (VGLx)

Figura 6: Ingressi di tensione e corrente per transistor high-side (VGHx) e low-side (VGLx) in uno dei ponti a MOSFET per un motore BLDC trifase. IDRIVE e tDRIVE sono importanti per il corretto funzionamento dei motori e la loro efficienza; IHOLD è utilizzato per mantenere il gate nello stato desiderato, mentre ISTRONG impedisce che la capacitanza dal gate alla sorgente del transistor low-side induca l'attivazione. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La selezione di IDRIVE e tDRIVE inizialmente dovrebbe essere basata sulle caratteristiche del MOSFET esterno, come la carica di gate/drain e i tempi di salita e discesa desiderati. Ad esempio, se IDRIVE è troppo lento, i tempi di salita e di discesa del MOSFET si allungano, con forti perdite di commutazione. Dai tempi di salita e di discesa dipendono anche (in una certa misura) l'energia e la durata del picco di recupero del diodo a ruota libera di ogni MOSFET, cosa che potrebbe ridurre ulteriormente l'efficienza.

Quando si cambia lo stato del gate driver, IDRIVE viene applicato per il periodo tDRIVE, che deve essere sufficientemente lungo da consentire alle capacitanze del gate di caricarsi o scaricarsi completamente. Come regola empirica, selezionare un tDRIVE che sia circa due volte più lungo dei tempi di salita e di discesa della commutazione del MOSFET. Tenere presente che tDRIVE non aumenta il tempo PWM e che terminerà se durante il periodo attivo viene ricevuto un comando PWM.

Al termine del periodo tDRIVE, viene utilizzata una corrente di tenuta fissa (IHOLD) per mantenere il gate nello stato desiderato (alto o basso). Durante l'attivazione high-side, il gate MOSFET low-side è sottoposto a un forte pull-down per impedire che la capacitanza tra gate e source del transistor induca l'attivazione.

Una durata tDRIVE fissa assicura che in condizioni di guasto, come un cortocircuito sul gate MOSFET, la corrente di picco abbia una durata limitata. Questo limita l'energia trasferita e impedisce danni ai pin di comando del gate e al transistor.

Conclusione

I driver modulari dei motori permettono di ridurre lo spazio eliminando decine di componenti discreti. Aumentano inoltre i vantaggi di una nuova generazione di motori BLDC compatti, a controllo digitale e ad alta densità di potenza. Questi gate driver "intelligenti" includono anche una tecnologia che facilita un processo di sviluppo abbastanza complesso, ovvero l'impostazione della temporizzazione della commutazione dei MOSFET di potenza, riducendo gli effetti delle capacitanze parassite e le EMI.

Occorre comunque prestare una certa attenzione per scegliere i MOSFET di potenza e i condensatori di disaccoppiamento più idonei per un circuito periferico. Per fortuna, come abbiamo visto, i più importanti fornitori di driver per motori offrono progetti di riferimento su cui gli sviluppatori possono basare i loro prototipi.

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