Verwendung von GaN-Leistungskomponenten für überlegene Umrichter für Motoren im mittleren Leistungsbereich

Das Streben nach einer effizienteren Nutzung von Energiequellen, strengere gesetzliche Vorschriften und die technischen Vorteile eines kühleren Betriebs unterstützen die jüngsten Initiativen zur Verringerung des Energieverbrauchs von Elektromotoren. Obwohl Schalttechnologien wie Silizium-MOSFETs weit verbreitet sind, können sie die anspruchsvollen Performance- und Effizienzziele von kritischen Wechselrichteranwendungen oft nicht erfüllen.

Stattdessen können diese Ziele mit Galliumnitrid (GaN) erreicht werden, einer FET-Bauteiltechnologie mit breiter Bandlücke (WBG), die in Bezug auf Kosten, Leistung, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit verbessert und weiterentwickelt wurde. GaN-Bauelemente haben sich inzwischen durchgesetzt und sind zur bevorzugten Wahl für Wechselrichter (auch Inverter genannt) im mittleren Leistungsbereich geworden.

In diesem Artikel wird untersucht, wie die neueste Generation der GaN-basierten FETs von EPC (Efficient Power Conversion Corporation) leistungsstarke Motorumrichter ermöglicht. Es werden Evaluierungsboards vorgestellt, die helfen, sich mit den Eigenschaften von GaN-Bauteilen vertraut zu machen und die Entwicklung zu beschleunigen.

Was ist ein Wechselrichter?

Die Aufgabe eines Wechselrichters besteht darin, die Leistungswellenform zu erzeugen und zu regeln, die einen Motor antreibt, bei dem es sich häufig um einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) handelt. Er steuert unter anderem die Motordrehzahl und das Drehmoment für ein sanftes Anfahren und Anhalten, den Rückwärtsgang und die Beschleunigungsrate. Er muss auch sicherstellen, dass die gewünschte Motorleistung erreicht und trotz Laständerungen beibehalten wird.

Beachten Sie, dass ein Motorumrichter mit frequenzvariablem Ausgang nicht mit einem AC-Netzumrichter verwechselt werden darf. Letzterer nimmt Gleichstrom von einer Quelle wie z. B. einer Autobatterie auf, um eine Wechselstrom-Wellenform mit fester Frequenz von 120/240 Volt zu erzeugen, die einer Sinuswelle ähnelt und für die Stromversorgung netzbetriebener Geräte verwendet werden kann.

Was spricht für GaN?

GaN-Bauelemente haben im Vergleich zu Silizium attraktive Eigenschaften, darunter höhere Schaltgeschwindigkeiten, einen geringeren Drain-Source-Durchlasswiderstand (R_DS(ON)) und eine bessere thermische Performance. Dank des niedrigeren R_DS(ON) können sie in kleineren und leichteren Motorantrieben eingesetzt werden und verringern die Leistungsverluste, was bei Anwendungen wie E-Bikes und Drohnen Energie und Kosten spart. Geringere Schaltverluste führen zu effizienteren Motorantrieben, die die Reichweite von leichten Elektrofahrzeugen (EVs) erhöhen können. Schnellere Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen eine Motorreaktion mit geringer Latenz, was für Anwendungen, die eine präzise Motorsteuerung erfordern, wie z. B. in der Robotik, unerlässlich ist. GaN-FETs können auch für die Entwicklung leistungsfähigerer und effizienterer Gabelstaplerantriebe verwendet werden. Dank der höheren Strombelastbarkeit von GaN-FETs können sie für größere und leistungsstärkere Motoren verwendet werden.

Für die Endanwendungen ergeben sich unter dem Strich Vorteile durch geringere Größe und Gewicht, höhere Leistungsdichte und Effizienz sowie eine bessere thermische Performance.

Erste Schritte mit GaN

Bei der Entwicklung von Leistungsschaltern, insbesondere für mittlere Ströme und Spannungen, müssen die kleinsten Details und einzigartigen Eigenschaften der Komponenten berücksichtigt werden. GaN-Bauelemente haben zwei interne Strukturoptionen: Verarmungstyp (d-GaN) und Anreicherungstyp (e-GaN). Ein d-GaN-Schalter ist normalerweise „eingeschaltet“ und benötigt eine negative Versorgungsspannung; er ist komplizierter in Schaltungen zu integrieren. Im Gegensatz dazu sind e-GaN-Schalter normalerweise „ausgeschaltete“ MOSFETs, was zu einer einfacheren Schaltungsarchitektur führt.

GaN-Bauelemente sind von Natur aus bidirektional und beginnen zu leiten, sobald die Sperrspannung über ihnen die Gate-Schwellenspannung überschreitet. Da sie außerdem konstruktionsbedingt nicht im Avalanchebetrieb arbeiten können, ist es wichtig, dass sie eine ausreichende Nennspannung aufweisen. Eine Nennleistung von 600 Volt ist im Allgemeinen bei Busspannungen bis zu 480 Volt für Abwärts-, Aufwärts- und Brücken-Gleichstromwandlertopologien ausreichend.

Obwohl GaN-Schalter in ihrer grundlegenden Ein- und Ausschaltfunktionalität einfach sind, handelt es sich um Leistungsbauelemente, so dass die Ein- und Ausschaltanforderungen, das Schalt-Timing, das Layout, die Auswirkungen von Störgrößen, die Steuerung des Stromflusses und die Strom-Widerstandsabfälle (IR) auf dem Board sorgfältig berücksichtigt werden müssen.

Für viele ist die Nutzung von Evaluierungskits der effektivste Weg, um zu verstehen, was GaN-Bauelemente leisten können und wie man sie einsetzt. Diese Kits verwenden einzelne und mehrere GaN-Bauelemente in verschiedenen Konfigurationen und Leistungsstufen. Dazu gehören auch die zugehörigen passiven Bauteile wie Kondensatoren, Induktivitäten, Widerstände, Dioden, Temperatursensoren, Schutzkomponenten und Steckverbinder.

Beginnen Sie mit Bauteilen mit geringerer Leistungsaufnahme

Ein hervorragendes Beispiel für einen GaN-FET mit geringer Leistungsaufnahme ist der EPC2065. Er hat eine Drain-Source-Spannung (V_DS) von 80 Volt, einen Drainstrom (I_D) von 60 Ampere (A) und einen R_DS(ON) von 3,6 Milliohm (mΩ). Er wird nur in passivierter Chipform mit Lötstegen geliefert und misst 3,5 × 1,95 Millimeter (mm) (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der GaN-FET EPC2065 für 80V/60A ist ein passivierter Chip mit integrierten Lötstegen. (Bildquelle: EPC)

Wie bei anderen GaN-Bauelementen sorgen die laterale Bauelementestruktur und die Majoritätsladungsträgerdiode des EPC2065 für eine außergewöhnlich niedrige Gesamt-Gate-Ladung (Q_G) und eine Null-Ladung in Sperrrichtung (Q_RR). Aufgrund dieser Eigenschaften eignet er sich gut für Situationen, in denen sehr hohe Schaltfrequenzen (bis zu mehreren hundert Kilohertz) und eine niedrige Einschaltdauer von Vorteil sind, sowie für Situationen, in denen Einschaltverluste dominieren.

Dieser Baustein wird von zwei ähnlichen Evaluierungskits unterstützt: dem EPC9167KIT für den Betrieb mit 20A/500Watt und dem leistungsstärkeren EPC9167HCKIT für den Betrieb mit 20A/1Kilowatt (kW) (Abbildung 2). Bei beiden handelt es sich um dreiphasige BLDC-Motorantriebsumrichterplatinen.

Abbildung 2: Abgebildet sind die Unterseite (links) und die Oberseite (rechts) des Boards EPC9167. (Bildquelle: EPC)

Die Grundkonfiguration des EPC9167KIT verwendet einen einzelnen FET für jede Schalterposition und kann bis zu 15 A_eff (Nennwert) und 20 A_eff (Spitzenwert) Strom pro Phase liefern. Im Gegensatz dazu verwendet die EPC9167HC-Konfiguration für höhere Ströme zwei parallele FETs pro Schalterposition und kann maximale Ströme bis zu 20 A_eff/30 A_eff (Nenn-/Spitzenwert) Ausgangsstrom liefern, was zeigt, wie einfach GaN-FETs für höhere Ausgangsströme parallel konfiguriert werden können. Ein Blockdiagramm der Basisplatine EPC9167 ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Das Bild zeigt ein Blockdiagramm des EPC9167-Basisboards in einer BLDC-Antriebsanwendung; das EPC9167HC für höhere Leistung nutzt zwei EPC2065-Bauelemente parallel für jeden Schalter, während das EPC9167 mit niedrigerer Leistung nur einen FET pro Schalter nutzt. (Bildquelle: EPC)

Das EPC9167KIT enthält alle wichtigen Schaltungen für einen kompletten Motorantriebsumrichter, einschließlich Gatetreibern, geregelten Hilfsspannungsschienen für Housekeeping-Versorgungen, Spannungs-, Temperatur- und Strommessung sowie Schutzfunktionen.

Der EPC9167 lässt sich mit verschiedenen kompatiblen Controllern kombinieren und wird von verschiedenen Herstellern unterstützt. Er kann schnell als Motorantriebsumrichter oder als DC/DC-Wandler konfiguriert werden, indem vorhandene Ressourcen für eine schnelle Entwicklung genutzt werden. In der ersten Rolle bietet er eine mehrphasige DC/DC-Wandlung, die Pulsweitenmodulation (PWM) bei Schaltfrequenzen bis zu 250 Kilohertz (kHz) in Motorantriebsanwendungen unterstützt; für DC/DC-Anwendungen ohne Motor arbeitet er mit bis zu 500 kHz.

Bauteile für höhere Leistungen

Am anderen Ende des Leistungsspektrums steht der EPC2302, ein GaN-FET mit Nennwerten von 100 Volt/101 A und einem R_DS(ON) von nur 1,8 mΩ. Er eignet sich gut für Hochfrequenz-DC/DC-Anwendungen von 40 bis 60 Volt und 48-Volt-BLDC-Motorantriebe. Im Gegensatz zum passivierten Chipgehäuse mit Lötstegen, das für den EPC2065 verwendet wird, ist dieser GaN-FET in einem induktionsarmen QFN-Gehäuse mit den Abmessungen 3 × 5 mm untergebracht, dessen Oberseite für ein besseres Wärmemanagement offen liegt.

Der Wärmewiderstand zur Gehäuseoberseite ist mit nur 0,2 °C pro Watt gering, was zu einer hervorragenden thermischen Performance führt und die Kühlung erleichtert. Seine freiliegende Oberseite verbessert das Wärmemanagement auf der Oberseite, während die seitlich benetzbaren Flanken gewährleisten, dass die gesamte Oberfläche der seitlichen Anschlussfläche während des Reflow-Lötprozesses mit Lot benetzt wird. Dies schützt das Kupfer und ermöglicht das Löten auf dieser Außenflanke zur einfachen optischen Kontrolle.

Die Grundfläche des EPC2302 ist weniger als halb so groß wie die des klassenbesten Silizium-MOSFETs mit ähnlichen Werten für R_DS(on) und Nennspannung, während sein Q_G und Q_GD deutlich kleiner sind und sein Q_RR gleich Null ist. Dies führt zu weniger elektromagnetischen Störungen (EMI) und geringeren Schaltverlusten. Der EPC2302 arbeitet mit einer kurzen Totzeit von weniger als 10 Nanosekunden (ns) für eine höhere Effizienz, während sein Q_RR von Null die Zuverlässigkeit erhöht und elektromagnetische Störungen (EMI) minimiert.

Um den EPC2302 zu evaluieren, unterstützt das „Motor Controller/Driver Power Management Evaluation Board“ EPC9186KIT Motoren bis zu 5 kW und kann bis zu 150 A_eff und 212 A_Spitze maximalen Ausgangsstrom liefern (Abbildung 4).

Abbildung 4: Abgebildet sind die Ober- (links) und Unterseite (rechts) des 5kW-Evaluierungsboards EPC9186KIT für den EPC2302. (Bildquelle: EPC)

Um diesen höheren Nennstrom zu erreichen, verwendet das EPC9186KIT vier parallele GaN-FETs pro Schalterposition, was zeigt, wie einfach sich mit diesem Ansatz höhere Stromwerte erreichen lassen. Das Board unterstützt PWM-Schaltfrequenzen von bis zu 100 kHz in Motorantriebsanwendungen und enthält alle wichtigen Funktionen zur Unterstützung eines kompletten Motorantriebsumrichters, einschließlich Gatetreibern, geregelten Hilfsspannungsversorgungen, Spannungs- und Temperaturerfassung, genauer Strommessung und Schutzfunktionen.

Fazit

Motorumrichter sind das entscheidende Bindeglied zwischen einer Basisstromquelle und einem Motor. Die Entwicklung kleinerer, effizienterer und leistungsstärkerer Wechselrichter ist ein zunehmend wichtiges Ziel. Entwicklungsteams haben zwar die Wahl zwischen verschiedenen Prozesstechnologien für die kritischen Leistungsschalter, die in Mittelklasse-Wechselrichtern zum Einsatz kommen, aber GaN-Bauelemente, wie die von EPC, sind die bevorzugte Option.