Intégrer des étages de puissance GaN pour des systèmes d'entraînement de moteurs BLDC alimentés par batteries efficaces

Les applications alimentées par batterie, telles que les robots collaboratifs (cobots), les vélos électriques, les drones industriels et les outils électriques, nécessitent des moteurs électriques légers et puissants avec un facteur de forme réduit. Les moteurs CC sans balais (BLDC) constituent une bonne option, mais l'électronique de commande moteur est assez complexe, avec de nombreuses considérations de conception. Le concepteur doit réguler étroitement le couple, la vitesse et la position, tout en garantissant une haute précision avec un minimum de vibrations, de bruit et de rayonnements électromagnétiques (EMR). De plus, les faisceaux de câbles externes et les dissipateurs thermiques volumineux doivent être évités afin de faire des économies sur le poids, l'espace et le coût.

Comme c'est souvent le cas, le défi pour les concepteurs consiste à trouver un équilibre entre les exigences de conception et les contraintes de temps et de budget, tout en évitant les erreurs de développement coûteuses. L'un des moyens d'y parvenir est de tirer parti des technologies de semi-conducteurs rapides et à faibles pertes, comme le nitrure de gallium (GaN), pour les étages de puissance nécessaires à l'entraînement des moteurs BLDC.

Cet article traite des avantages relatifs des étages de puissance basés GaN et présente un dispositif d'exemple d'EPC, implémenté dans une topologie en demi-pont. Il explique comment utiliser les kits de développement associés pour démarrer rapidement un projet. Au cours de ce processus, les concepteurs apprendront à mesurer les paramètres d'un moteur BLDC et à le faire fonctionner en mode de contrôle vectoriel (FOC) sans capteur avec des efforts de programmation minimum à l'aide de la suite de développement motorBench de Microchip Technology.

Avantages du GaN

Pour contrôler efficacement un moteur BLDC dans les applications de batterie, les développeurs ont besoin d'un étage de circuit d'attaque efficace et léger avec un facteur de forme compact, qui peut être implémenté aussi près que possible de l'actionneur. Par exemple, à l'intérieur du logement du moteur.

Les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) sont robustes et peuvent commuter des puissances élevées, jusqu'à 100 mégawatts (MW) à un maximum de 200 kilohertz (kHz), mais ils ne conviennent pas aux dispositifs qui doivent gérer des charges de batteries à des tensions jusqu'à 80 volts (V). La résistance de contact élevée, la diode de roue libre et les pertes de commutation, ainsi que la queue de courant lors de l'arrêt, se combinent pour entraîner une distorsion des signaux, une génération excessive de chaleur et des émissions parasites.

Les transistors à effet de champ à semi-conducteurs à oxyde métallique (MOSFET) commutent plus rapidement et ont des pertes par effet joule et de commutation plus faibles que les IGBT, mais leur capacité de grille requiert un circuit d'attaque de grille puissant pour fonctionner à des fréquences de commutation élevées. La capacité de fonctionnement à hautes fréquences est importante car elle permet aux concepteurs d'utiliser des composants électroniques plus petits afin de réduire l'encombrement.

Quant aux transistors à haute mobilité électronique (HEMT) GaN, ils sont capables d'établir et de supprimer des jonctions de semi-conducteurs extrêmement rapidement et avec de faibles pertes. Un circuit d'attaque GaN intégré, tel que l'EPC23102ENGRT d'EPC, se caractérise par des pertes par commutation exceptionnellement faibles et des fréquences de commutation élevées, ce qui permet de concevoir des dispositifs compacts dans les espaces les plus restreints. La puce monolithique contient une interface logique d'entrée avec des dispositifs de décalage de niveau, une charge auto-élévatrice et des circuits d'attaque de grille qui contrôlent les FET de sortie GaN dans une topologie en demi-pont (Figure 1). Le boîtier de la puce est optimisé pour une haute dissipation thermique et une faible inductance parasite.

Figure 1 : L'EPC23102 contient une logique de commande, des dispositifs de décalage de niveau, des circuits d'attaque de grille et des FET de sortie GaN dans une topologie en demi-pont (à gauche). Le boîtier de la puce (à droite) est optimisé pour une haute dissipation thermique et une faible inductance parasite. (Source de l'image : EPC)

Chaleur résiduelle et rayonnements électromagnétiques inférieurs

Les transistors de sortie EPC23102 ont une résistance à l'état passant drain-source (R_DS(on)) typique de 5,2 milliohms (mΩ) (à 25°C). Ils gèrent des tensions jusqu'à 100 V et des courants jusqu'à un maximum de 35 ampères (A). De plus, la structure latérale du dispositif GaN et l'absence d'une diode de substrat intrinsèque permettent d'obtenir une charge de grille (Q_G) et une charge de recouvrement inverse (Q_RR) exceptionnellement faibles.

Par rapport à un dispositif MOSFET avec une résistance R_DS(on) similaire, le circuit d'attaque GaN permet des pertes de commutation jusqu'à cinq fois inférieures. Cela permet à un onduleur basé GaN de fonctionner à des fréquences de modulation de largeur d'impulsion (PWM) relativement élevées — jusqu'à 3 mégahertz (MHz) — et avec un temps de récupération plus court (inférieur à 50 nanosecondes (ns)).

Les hautes vitesses de commutation (dV/dt) et le faible coefficient de température des semi-conducteurs GaN dans une conception de boîtier avec une inductance parasite réduite minimisent la distorsion des signaux, et donc les pertes de commutation et les rayonnements électromagnétiques. Cela réduit le besoin de stratégies de filtrage, tandis que les inductances et les condensateurs économiques plus petits permettent de gagner de l'espace carte.

Outre la faible résistance R_DS(on), les autres avantages du dispositif GaN, tels que la haute conductivité thermique du substrat GaN et la grande surface de contact thermique du boîtier du composant, se combinent pour permettre aux étages de puissance GaN de commuter des courants jusqu'à 15 A sans dissipateur thermique (Figure 2).

Figure 2 : Augmentation de la température par rapport au courant de phase pour un étage de puissance GaN à une température ambiante de 25,5°C et à différentes fréquences PWM. (Source de l'image : EPC)

L'EPC23102 comporte également des convertisseurs de niveau robustes, des canaux bas potentiel aux canaux haut potentiel, qui sont conçus pour fonctionner en conditions de commutation douce et dure — même à des tensions de bornes négatives importantes — et pour éviter des déclenchements intempestifs par des transitoires dV/dt rapides, y compris ceux provenant de sources externes ou de phases adjacentes. Les circuits internes intègrent des fonctions de désactivation et de charge de puissance auto-élévatrices et logiques. Les fonctions de protection empêchent l'activation accidentelle des FET de sortie lorsque les tensions d'alimentation sont trop faibles, voire inexistantes.

Kit d'évaluation d'onduleur moteur prêt à l'emploi

Le moyen le plus simple et le plus rapide de mettre en service un moteur BLDC triphasé avec la technologie GaN est d'utiliser le kit d'évaluation d'onduleur moteur EPC9176KIT d'EPC. Il se compose de la carte d'onduleur moteur EPC9176 et d'une carte de contrôleur DSP. Un simple adaptateur plug-in de contrôleur EPC9147E pour le contrôle via un contrôleur hôte spécifique au client est également inclus. Le connecteur de couplage conduit les signaux suivants : 3 × PWM, 2 × codeurs, 3 × U_phase, 3 × I_phase, U_DC, I_DC, et 2 × LED d'état.

En tant que conception de référence, la carte d'onduleur moteur EPC9176 facilite la conception de circuits en interne, tandis que la carte de contrôleur EPC9147A, lorsqu'elle est utilisée avec l'environnement de développement motorBench de Microchip Technology, permet aux utilisateurs d'être rapidement opérationnels sans avoir à passer du temps à coder ou à programmer.

L'onduleur moteur BLDC triphasé intègre trois circuits d'attaque en demi-pont GaN EPC23102 pour commander des moteurs CA ou CC et des convertisseurs de puissance CC/CC. Avec une résistance R_DS(on) de 6,6 mΩ maximum, l'étage de puissance entraîne peu de pertes de chaleur à des courants de charge jusqu'à 28 A crête (A_pk) ou 20 A efficaces (A_RMS) en fonctionnement constant à des tensions de commutation jusqu'à 100 V. Configuré pour une conversion CC/CC multiphase, l'EPC23102 prend en charge des fréquences de commutation PWM jusqu'à 500 kHz et jusqu'à 250 kHz pour les applications d'entraînement de moteurs.

La carte d'onduleur moteur EPC9176 de 8,1 centimètres (cm) × 7,5 cm contient tous les circuits fonctionnels critiques nécessaires à la prise en charge d'un onduleur moteur complet, y compris les condensateurs de bus CC, les circuits d'attaque de grille, les tensions auxiliaires régulées, la tension de phase, le courant de phase et la mesure de la température, ainsi que les fonctions de protection et les filtres harmoniques ou EMR optionnels pour chaque phase (Figure 3).

Figure 3 : L'onduleur moteur EPC9176 comporte des condensateurs de bus CC, des circuits d'attaque de grille, un régulateur de tension, des fonctions de détection de tension, de protection de courant et de température, et des filtres EMR. (Source de l'image : EPC)

L'onduleur GaN triphasé fonctionne à des tensions d'entrée de 14 à 65 V_CC. Il commute sans dépassement, ce qui se traduit par un couple régulier et un bruit de fonctionnement minimal. La carte est optimisée pour une pente de commutation haute vitesse, typique du GaN, inférieure à 10 V par ns (V/ns), et pouvant être réduite en option pour le fonctionnement d'un convertisseur CC/CC. En outre, il est possible de connecter deux capteurs de position de rotor (capteurs Hall) fonctionnant à des niveaux de tension différents.

Couple sans vibration et faible bruit de fonctionnement

Un exemple d'implémentation de moteur BLDC triphasé démontre l'effet du paramétrage du temps de récupération sur le fonctionnement régulier du moteur, et donc sur la génération de bruit. Le temps de blocage à la transition de commutation du FET haut potentiel et bas potentiel d'un demi-pont basé sur des FET GaN peut être sélectionné pour être très faible car les HEMT GaN réagissent extrêmement vite et ne produisent pas de dépassements parasites, comme c'est le cas avec les MOSFET plus lents.

La Figure 4 (à gauche) montre un onduleur GaN fonctionnant à un temps de récupération typique pour les MOSFET de 500 ns à une fréquence PWM de 40 kHz. Ce qui devrait être un courant de phase sinusoïdal régulier présente une distorsion extrêmement élevée, ce qui entraîne des ondulations de couple importantes et le bruit correspondant. Dans la Figure 4 (à droite), le temps de récupération a été réduit à 50 ns, établissant un courant de phase sinusoïdal pour un moteur tournant régulièrement avec un très faible bruit.

Figure 4 : Un temps de récupération de 500 ns à une fréquence PWM de 40 kHz (à gauche), typique des MOSFET, provoque une haute distorsion du courant de phase qui se traduit par des ondulations de couple et des niveaux de bruit élevés. Avec un temps de récupération de 50 ns (à droite), un courant de phase sinusoïdal est établi de sorte que le moteur tourne de manière régulière avec un faible bruit. (Source de l'image : EPC)

Une ondulation inférieure dans le courant de phase implique également moins de pertes de magnétisation dans les bobines du stator, tandis qu'une ondulation inférieure dans la tension de phase permet une plus haute résolution, ainsi qu'un contrôle plus précis du couple et de la vitesse, en particulier pour les moteurs à faible inductance utilisés dans des conceptions plus petites.

Pour les applications d'entraînement moteur qui exigent plus de puissance, deux cartes d'onduleurs GaN sont disponibles : l'EPC9167HCKIT (1 kilowatt (kW)) et l'EPC9167KIT (500 watts (W)). Ces deux cartes utilisent le FET GaN EPC2065, qui présente une résistance R_DS(on) maximum de 3,6 mΩ et une tension de dispositif maximum de 80 V. Alors que la carte EPC9167 utilise un seul FET pour chaque position de commutation, l'EPC9167HC a deux FET fonctionnant en parallèle, fournissant un courant de sortie maximum de 42 A_pk (30 A_RMS). Le FET GaN EPC2065 prend en charge les fréquences de commutation PWM jusqu'à 250 kHz dans les applications de commande moteur et jusqu'à 500 kHz dans les convertisseurs CC/CC.

Une puissance encore plus élevée — jusqu'à 1,5 kW — est fournie par la carte d'onduleur dans l'EPC9173KIT. La carte forme les branches en demi-pont de deux circuits intégrés d'attaque de grille GaN EPC23101ENGRT individuels qui n'ont qu'un seul FET de puissance haut potentiel intégré. Cette carte peut être étendue en tant que convertisseur abaisseur, élévateur, demi-pont, pont complet ou LLC. Elle fournit des courants de sortie jusqu'à 50 A_pk (35 A_RMS) et fonctionne à des fréquences de commutation PWM jusqu'à 250 kHz, avec un refroidissement approprié.

Rendre l'étage de circuit d'attaque opérationnel en quelques minutes

Le moyen le plus rapide d'évaluer la carte d'onduleur GaN EPC9176 — sans codage — est d'utiliser la carte d'interface de contrôleur EPC9147A. Un module plug-in (PIM) — le module MA330031-2 — contient le DSP 16 bits dsPIC33EP256MC506-I-PT de Microchip Technology (Figure 5).

Figure 5 : La carte d'interface de contrôleur universel EPC9147A peut accepter divers modules plug-in, tels que le PIM MA330031-2, qui est basé sur le DSP 16 bits dsPIC33EP256. (Source de l'image : EPC/Microchip Technology)

Pour faciliter le fonctionnement de l'interface de contrôleur DSP, les concepteurs peuvent utiliser la suite de développement motorBench, à laquelle ils doivent ajouter les éléments suivants :

1. MPLAB X IDE_V5.45 et la mise à jour recommandée
2. Code Configurator Plugin (compilation spécifique DSP)
3. motorBench plugin 2.35 (exemples de moteur)

Pour cette discussion, l'exemple utilise la carte d'onduleur moteur GaN EPC9146, donc :

4. Démarrez avec le projet MCLV-2 ou EPC pour l'EPC914xKIT appelé « sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X ».

L'utilisateur peut simplement sélectionner le fichier hex d'exemple pour la carte d'onduleur moteur GaN EPC9146 et le flasher dans le DSP dsPIC33EP256MC506 avec un adaptateur de programmation, tel que le PG164100 de Microchip Technology pour les microcontrôleurs 16 bits. Le moteur BLDC connecté (Teknic_M-3411P-LN-08D) est alors contrôlable manuellement via les commandes et fonctionne en mode FOC sans capteur.

Si le moteur ne fonctionne pas de manière satisfaisante ou s'il doit être configuré pour un état de fonctionnement différent, motorBench fournit également un fichier d'exemple configurable qui doit être compilé avant le flashage. Un paramètre élémentaire mais important pour les variateurs moteurs GaN, comme indiqué plus haut, est un temps de récupération de 50 ns ou inférieur, qui doit absolument être vérifié avant de compiler le fichier hex.

Paramètres personnalisés pour un moteur BLDC

Afin de configurer des moteurs BLDC personnalisés pour un fonctionnement FOC sans capteur à l'aide de l'IDE motorBench, les utilisateurs peuvent mesurer les paramètres spécifiques de leur moteur et entrer les valeurs pertinentes dans un fichier de configuration. Le moteur MOT-I-81542-A d'ISL Products International, par exemple, peut servir de moteur de test. Il consomme environ 361 W de puissance avec un fonctionnement à 24 V et 6100 tours par minute (tr/min).

Ces quatre paramètres de moteur doivent d'abord être déterminés :

• Résistance ohmique : mesurée entre les bornes de la bobine du stator à l'aide d'un multimètre.
• Inductance : mesurée entre les bornes de la bobine du stator à l'aide d'un multimètre.
• Paires de pôles : pour déterminer les paires de pôles, le concepteur doit court-circuiter deux phases, laisser la troisième ouverte, puis compter à la main le nombre de loquets à un tour d'arbre, puis diviser le résultat par deux.
• Force contre-électromotrice (FCEM) : la FCEM est mesurée entre les bornes de la bobine du stator à l'aide d'un oscilloscope. Pour ce faire, le concepteur doit :
  • Fixer la sonde à deux fils de phase, en laissant le troisième ouvert
  • Faire tourner l'arbre du moteur à la main et enregistrer la réponse en tension
  • Mesurer la tension crête-à-crête A_pp et la période T_half de la demi-onde sinusoïdale la plus grande (Figure 6)

Figure 6 : La FCEM est déterminée en mesurant la tension crête-à-crête A_pp et la période T_half de la demi-onde sinusoïdale la plus grande. (Source de l'image : EPC)

En se référant à l'exemple de projet ci-dessus, Microchip a déterminé les paramètres suivants pour le moteur Teknic M-3411P-LN-08D (8,4 A_RMS, huit pôles, couple = 1 Newton-mètre (Nm), et puissance nominale de 244 W) :

• A_pp = 15,836 V_pp
• T_half = 13,92 ms
• Paires de pôles : pp = 4
• Microchip a ensuite calculé la constante FCEM (pour 1000 tr/min = 1 k_rpm), en utilisant l'Équation 1 :

 Équation 1

pour cet exemple de moteur

(une valeur de 10,2 a été utilisée pour motorBench)

• R_L-L = résistance ligne-à-ligne de 800 mΩ, moins 100 mΩ dus aux sorties LCR-mètre
• L_d = L_q = 1 mH utilisé dans cet exemple, bien que mesurant 932 microhenrys (µH)

Les paramètres déterminés doivent être entrés dans le sous-menu Configure/PMSM Motor de motorBench. Pour ce faire, les concepteurs peuvent simplement utiliser le fichier de configuration XML d'un type de moteur similaire. Il est également possible d'entrer les paramètres dans un fichier de configuration (vide) nouvellement créé qui peut être importé via le bouton Import Motor.

Conclusion

Les circuits intégrés de variateur moteur GaN permettent d'atteindre des performances haut rendement pour les entraînements de moteurs BLDC alimentés par batterie, avec un facteur de forme compact et un faible poids. Intégrés dans le logement moteur, ils sont bien protégés, simplifient la conception et l'installation des dispositifs et réduisent la maintenance.

Grâce à des circuits de référence, des contrôleurs DSP basés sur des modèles préprogrammés et un environnement de développement de moteurs, les concepteurs et les programmeurs d'applications de moteurs BLDC peuvent réduire les délais de conception des circuits et se concentrer davantage sur le développement des applications.