Optimisation des contrôleurs de puissance dans la commande de moteurs industriels avec les modules GMR10Dx pour des solutions de polarisation polyphasées

Cet article traite des défis de conception et des considérations clés impliqués dans le développement d'un contrôleur de puissance polyphasé fiable et sûr. Il utilise le module de convertisseur CC/CC isolé GMR10Dx avec sorties flottantes, associé aux modules de puissance d'attaque de grille à commutateurs à large bande interdite doubles hautement intégrés de Ganmar Technologies. La conception et la construction de ces modules sont optimisées pour répondre aux exigences des systèmes en matière de fiabilité, de sécurité, d'interférences électromagnétiques (EMI) et de gestion thermique.

Un exemple de système est présenté, illustrant une entrée CA triphasée alimentant un étage de correction du facteur de puissance (PFC), suivi d'une charge lourde contrôlée par modulation de largeur d'impulsion (PWM), telle qu'un moteur de qualité industrielle. La conception est particulièrement axée sur la commande de commutateurs GaN haute tension d'Infineon (anciennement GaN Systems), offrant une solution de circuit pratique. Les limites des méthodes traditionnelles pour la commande de commutateurs totem-pôle en demi-pont (HB) sont abordées, et des solutions alternatives pour contrôler les commutateurs supérieurs et inférieurs sont explorées. Des conceptions de circuits pratiques sont présentées pour garantir un fonctionnement fiable et sûr tout en minimisant les exigences d'espace. De plus, cette note couvre la détection de courant à faible perte et à large bande passante pour simplifier davantage le processus de conception.

L'environnement de conception actuel présente de nombreux défis, notamment la nécessité d'un matériel compact, d'une consommation d'énergie réduite pour un refroidissement efficace, d'une fiabilité accrue avec une gestion thermique optimisée et de solutions rentables. Ces problèmes sont amplifiés par des budgets serrés et des délais de développement plus courts. Pour relever ces défis, cet article présente des sous-systèmes et des blocs fonctionnels standard qui aident les équipes de conception à tirer parti de l'expertise et de la conformité des fournisseurs de sous-systèmes.

En utilisant les modules d'interface et de convertisseurs de puissance de Ganmar Technologies, cet article offre une solution optimale à ces défis de conception. Les modules fournis permettent le développement efficace d'un système d'attaque de grille polyphasé, tandis que leur facteur de forme standardisé permet d'économiser un espace précieux sur la carte principale.

Conception d'un contrôleur de puissance de polarisation pour un système triphasé haute tension et haute puissance avec le GMR10Dx

Cette section décrit les considérations de conception pour la création d'un contrôleur de puissance de polarisation dans un système haute tension et haute puissance utilisant des modules de convertisseurs CC/CC GMR10Dx, ainsi que la polarisation d'attaque de grille flottante fournie par les modules GMR04B00x. Comme illustré à la Figure 1a, le système peut inclure une charge lourde contrôlée par PWM, telle qu'un moteur industriel, intégrant plusieurs commutateurs et exigeant plusieurs tensions de polarisation pour différents blocs fonctionnels. Les principales hypothèses de conception sont les suivantes :

• Considérations relatives aux EMI : le système requiert un facteur de puissance proche de l'unité, ce qui implique l'utilisation de la correction PFC.
• Logique de démarrage : la correction PFC inclut un processeur, qui requiert une logique de démarrage indépendante pour les convertisseurs de polarisation.
• Dissipation de puissance : la réduction de la dissipation de puissance dans l'électronique du contrôleur est essentielle pour la fiabilité et pour simplifier les exigences du système de refroidissement.
• Utilisation de produits prêts à l'emploi : la conception maximise l'utilisation de composants facilement disponibles.

La Figure 1a présente une configuration globale du système pour référence visuelle dans les discussions de conception ultérieures.

Figure 1a : Polarisation et démarrage d'un système industriel de contrôle de charges élevées. (Source de l'image : Ganmar Technologies)

En se référant au schéma fonctionnel de la Figure 1a, cette section s'intéresse à la conception du contrôleur de puissance de polarisation et à son intégration dans le système global. Les options de conception sont explorées pour chaque fonction, à l'exclusion du contrôleur PFC et PWM, en raison du besoin d'informations plus spécifiques sur les exigences d'interface du système pour traiter ces fonctions en profondeur. Par conséquent, cet article ne couvrira pas ces composants en détail. On suppose que le système utilise des commutateurs GaN haute tension, tels que les dispositifs GS66516T d'Infineon, bien que des considérations sur d'autres technologies de commutateurs, comme les commutateurs SiC ou bipolaires, soient également abordées.

De plus, cet article présente les modules de circuit d'attaque de grille flottants hautement intégrés et auto-alimentés de Ganmar Technologies, en particulier le GMR04B00x. Le « x » dans le numéro de modèle indique les différentes options de puces de circuits d'attaque de grille doubles disponibles. Consultez la fiche technique du GMR04B00x pour des spécifications et des options détaillées.

Contrôleur de puissance de polarisation

Le contrôleur de puissance de polarisation est conçu pour offrir une protection contre les baisses de tension pour les faibles valeurs d'entrée CA (UVLO) et fournir un arrêt sans verrouillage si les entrées CA dépassent la limite maximale définie (OVLO). Lorsque l'entrée CA est dans des valeurs opérationnelles sûres, le module GMR10Dx génère des sorties CC isolées à des tensions standard, généralement 6 V et 22 V. Dans les systèmes plus grands, des formes de tension supplémentaires peuvent être nécessaires. La Figure 1b illustre une configuration typique pour obtenir ces tensions. Une sortie basse puissance de 5 V est utilisée pour alimenter la puce de circuit d'attaque de grille double dans le module GMR04B00x, spécifiquement l'ADUM7223 d'Analog Devices. Consultez la fiche technique du GMR04B00x pour les autres options disponibles.

Figure 1b : Formes de circuits de jonction typiques dérivées du GMR10Dx. (Source de l'image : Ganmar Technologies)

Le module GMR04B00x alimente en interne son côté flottant pour fournir deux polarisations de 12 V. Le haut potentiel 12 V (12VH) polarise le circuit d'attaque de sortie VIA pour le commutateur de puissance supérieur, avec le niveau d'attaque de grille à +5,6 V/-5,6 V par rapport au nœud HBU. Des configurations d'attaque séparées similaires sont appliquées autour des circuits de phase V et W.

Pour le commutateur bas potentiel, un 12VL séparé est généré en interne par le module GMR04B00x, qui peut être référencé avec le nœud de retour de puissance bas potentiel de toute polarité. La sortie VIB de l'ADUM7223, par exemple, est séparée en +5,6 V/-5,6 V par le réseau répartiteur, garantissant que le commutateur GaN inférieur fonctionne correctement.

Pour les commutateurs SiC, une version différente du module GMR04B00x fournit 15 V, 18 V ou 22 V, qui peuvent être réglés en usine pour s'adapter à divers commutateurs SiC haute puissance. Les sorties du circuit répartiteur fournissent une polarisation ±flottante pour commander les commutateurs en carbure de silicium sur les côtés haut et bas potentiel par rapport aux nœuds supérieurs HBU/V/W, et de la même manière pour les nœuds inférieurs de n'importe quelle polarité. Consultez la fiche technique du GMR04B00x pour connaître les options disponibles.

La section du contrôleur de puissance de polarisation, ainsi que les LDO illustrés dans la Figure 1b, alimentent les deux autres modules d'interface GMR04B00x connectés directement aux grilles des nœuds V et W. De plus, la sortie 22 V peut alimenter les contrôleurs analogiques, les sections numériques et les puces E/S sur la carte de l'utilisateur via des LDO. Pour des besoins de puissance plus élevés, les utilisateurs peuvent consulter la note d'application pour des instructions sur la mise en parallèle des modules GMR10Dx.

Problèmes de démarrage

Il est essentiel de fournir une source d'alimentation stable aux processeurs numériques avant qu'ils ne deviennent opérationnels. Pour ce faire, le contrôleur de polarisation doit fonctionner à partir d'une source d'alimentation indépendante de la correction PFC. Le circuit de convertisseur de puissance de Ganmar consomme jusqu'à 18 W depuis la source CA, ce qui a un impact minimal sur les relations de phase de l'entrée CA. Le module GMR10DX prend en charge une plage de tensions d'entrée de 100 V_CC à 320 V_CC, couvrant la plage typique des applications hors ligne.

Pour les tensions de source plus élevées, fréquentes dans les applications haute puissance, et où les redresseurs peuvent produire jusqu'à 380 V, veuillez consulter le support technique de Ganmar pour d'autres options de la série GMR10Dx.

La Figure 2 illustre un pont redresseur à 6 diodes typique, adapté au démarrage du système avec ce module. Une fois que l'entrée CA dépasse environ 42 V_RMS (60 Hz ou 400 Hz), résultant en une sortie de 200 V_CC depuis le pont avec un petit condensateur de 10 µF, les modules commencent à produire des sorties avec un délai maximum de 70 ms en conditions de faible charge. Ce délai est acceptable car aucun autre bloc système ne consomme d'énergie pendant le démarrage.

Lors d'événements transitoires, si les entrées CA font que la sortie du pont redresseur à 6 diodes dépasse la plage de fonctionnement sûre du module de convertisseur, le module s'arrête jusqu'à ce que la tension redressée revienne à un niveau sûr. De plus, une fonction de protection contre les baisses de tension dues à des sous-tensions s'active si la tension redressée chute en dessous de 100 V.

Figure 2 : Consommation maximum de 18 W depuis l'entrée CA directement pour le démarrage et la polarisation. (Source de l'image : Ganmar Technologies)

Filtrage d'entrée

Les modules de commutation de puissance, tels que le GMR10Dx, présentent une caractéristique d'impédance « négative » par rapport à leurs sources d'alimentation d'entrée. Cette caractéristique nécessite une conception minutieuse des filtres afin de garantir la stabilité au niveau de l'interface. Bien que la conception détaillée des filtres d'entrée soit largement abordée dans divers rapports et publications, cet article fournit un bref aperçu des caractéristiques d'entrée du module GMR10Dx.

Pour une charge de puissance constante typique de 15 W due à la commande GaN, avec une tension de redresseur de 200 V et un rendement de 0,85, l'impédance équivalente est calculée comme |200²/(15/η)|, ce qui donne environ 3,14 kΩ. Cette impédance est relativement élevée par rapport à l'impédance de la source, ce qui permet au filtre requis de la contourner plus facilement et efficacement. Il est toutefois conseillé d'installer un condensateur d'amortissement de 10 µF/400 V à proximité du module GMR10Dx. Le module lui-même inclut un condensateur de 0,47 µF pour gérer les pics de courant instantanés provenant d'événements de commutation internes. La valeur de résistance série équivalente (ESR) du condensateur externe n'est pas critique, à condition que le filtre PFC principal offre un amortissement suffisant.

Ganmar Technologies fournit également un module de pont redresseur d'entrée CA, complet avec fusible et filtre EMI, pour une intégration aisée avec le module GMR10Dx. Cela simplifie le processus de connexion à la source CA. Pour plus de détails sur l'intégration de ce module, veuillez consulter le support technique de Ganmar.

Polarisation du circuit d'attaque

Les Figures 3 et 4 montrent le schéma et une photo du module GMR10D000, un convertisseur CC/CC isolé capable de fournir 15 W avec deux sorties. V_OUT1 fournit typiquement 6,5 V à 3 W, tandis que V_OUT2 fournit 22 V à 12 W. Les deux sorties atteignent leur état stable en 10 ms. Cette section explique comment connecter les fonctions illustrées à la Figure 1 aux dispositifs GMR10Dx pour obtenir les fonctionnalités et les performances souhaitées.

Figure 3 : Connexion, triphasée. (Source de l'image : Ganmar Technologies)

Figure 4 : Module GMR10D000. (Source de l'image : Ganmar Technologies)

La Figure 5 illustre les interconnexions de plusieurs modules GMR10Dx pour remplir les fonctions du contrôleur de puissance de polarisation. Dans cette section, une explication détaillée de l'application du GMR04B008 dans le contexte du bloc HS-U est fournie. Les deux autres modules peuvent être facilement répliqués en connectant les retours de référence qui correspondent à leurs nœuds respectifs.

Figure 5 : Schéma fonctionnel du côté commande du module (illustré avec le GMR10D005). (Source de l'image : Ganmar Technologies)

La Figure 6 illustre la disponibilité de l'alimentation 22 V par rapport au nœud de « masse » GNDS communément référencé.

Figure 6 : Schéma interne du GMR04B00x avec puissance de grille flottante et commandes directes. (Source de l'image : Ganmar Technologies)

Exigences relatives à l'interface d'étage de puissance

Comme illustré à la Figure 6, il est généralement recommandé, dans les systèmes GaN, d'appliquer une tension de polarisation négative pour désactiver les dispositifs de puissance GaN, en particulier dans les topologies à commutation dure où les courants dépassent 30 A. La Figure 7 fournit un graphique (avec l'autorisation d'Infineon) illustrant cette approche.

Figure 7 : Effets de V_EE sur la dynamique de désactivation. (Source de l'image : Infineon)

Mise en œuvre et caractéristiques d'activation/de désactivation - L'implémentation de répartiteurs pour les dispositifs d'Infineon dans le module garantit des tensions d'activation et de désactivation efficaces tout en minimisant les pertes de transition d'arrêt. Les formes d'onde d'attaque divisées et la conception GS66xx d'Infineon contribuent à un rendement amélioré et à une conception de transformateur unique qui réduit les pics d'oscillation pendant le processus d'arrêt du GS66xx.

Mise sous tension/hors tension

Pour une mise sous tension complète, une attaque de grille de 5,6 V est requise, avec une inductance parasite et un couplage capacitif minimum entre les pistes et les nœuds de commutation sensibles. Il est essentiel de respecter les directives du fournisseur GaN concernant le placement et le routage corrects des circuits.

Lors de la mise hors tension, la tension grille-source (V_GS) doit être nettement inférieure à la tension de seuil (V_TH), avec un niveau de référence d'environ 0 V dans les circuits décrits ici. Cet article suppose l'utilisation du circuit intégré d'attaque de grille ADUM7223 d'Analog Devices. Il est important de noter que le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO) de sortie du circuit d'attaque est de 5 V, ce qui le rend adapté à l'attaque de grille de 5,6 V requise par les dispositifs GaN. La dissipation de puissance du circuit d'attaque pour ce GaN peut être calculée à l'aide des informations de la fiche technique du circuit d'attaque :

En supposant une commutation de 250 kHz et les valeurs ci-dessous, la valeur P_D peut être calculée :

La configuration du circuit d'attaque entraîne une dissipation de 100 mW, ce qui est largement dans les capacités des modules GMR10Dx et GMR04B00x. Le module GMR10Dx est capable de fournir beaucoup plus de puissance que nécessaire au circuit d'attaque, garantissant ainsi une alimentation robuste pour son fonctionnement.

Configuration HV GaN pour le circuit d'attaque

Le module GMR10Dx fournit les tensions de polarisation nécessaires pour les circuits d'attaque GaN supérieurs et inférieurs dans une configuration en demi-pont (HB). La Figure 8 illustre les connexions des circuits d'attaque GaN depuis les répartiteurs.

Un référencement correct des retours de polarisation est essentiel pour éviter un comportement de commutation erratique et des dommages potentiels aux dispositifs GaN. Les utilisateurs doivent respecter les directives et recommandations fournies dans les fiches techniques et les notes d'application GaN spécifiques pour garantir un fonctionnement correct et sûr. Des conseils supplémentaires sont disponibles dans les notes d'application de la fiche technique du module intégré à double circuit d'attaque direct GMR04Bx.

Figure 8 : Disposition totem-pôle et configuration en demi-pont classique avec connexions directes divisées aux commutateurs GaN. (Source de l'image : Ganmar Technologies)

Le module GMR04B00x fournit la tension de polarisation flottante nécessaire pour le circuit d'attaque de grille de commutateur GaN supérieur, éliminant ainsi le besoin de circuits supplémentaires tels qu'un condensateur auto-élévateur volant pour générer la tension de polarisation requise.

Avec les modules GMR04B00x, les tensions d'attaque de grille flottantes peuvent être directement connectées aux grilles des commutateurs GaN supérieurs et inférieurs, fournissant une attaque de grille stable de ±5,6 V. Cette approche simplifie la conception car le contrôleur n'a plus besoin de commuter le dispositif inférieur pour générer la polarisation pour le circuit d'attaque de grille supérieur.

L'utilisation des modules GMR04B00x permet d'obtenir les tensions d'attaque de grille souhaitées pour les commutateurs GaN supérieurs et inférieurs, sans la complexité et les composants supplémentaires requis par les méthodes de polarisation alternatives.

Le schéma d'auto-élévation existant tel qu'illustré à la Figure 9 présente plusieurs inconvénients, notamment le besoin de composants supplémentaires tels que des diodes et des condensateurs non polarisés, dont les valeurs peuvent nécessiter un ajustement en fonction des exigences spécifiques du GaN ou d'autres dispositifs. Les problèmes de démarrage et l'absence de polarisation rigide sont des préoccupations importantes avec cette approche. De plus, le schéma d'auto-élévation existant est incompatible avec les nœuds HB bipolaires.

Figure 9 : Schéma de polarisation du circuit d'attaque de grille flottant. (Source de l'image : Ganmar Technologies)

En revanche, la disposition compacte des modules GMR10Dx et GMR04B00x et de leurs extensions associées met en évidence leurs avantages en termes de gains d'espace. Ils constituent une solution pratique pour les applications exigeant une polarisation efficace et un référencement correct.

Détection de courant

Les Figures 10 et 11 illustrent l'intégration de la détection de courant à l'aide de résistances shunt dans les modules GMR10Dx et GMR04B00x. Les résistances shunt sont fréquemment utilisées pour mesurer et surveiller le courant circulant dans un circuit. En plaçant ces résistances stratégiquement sur le trajet du courant, la chute de tension à leurs bornes peut être mesurée et utilisée pour calculer le courant.

Dans le cadre des modules GMR, les résistances shunt de détection du courant sont connectées en série avec la charge ou un module de détection du courant isolé à large bande passante. Cette configuration garantit une détection et une surveillance précises du courant. Les modules GMR fournissent la puissance et les tensions de polarisation flottantes ou référencées à la masse requises pour prendre en charge les systèmes de détection du courant, garantissant des mesures fiables et précises.

L'intégration de la détection du courant dans la conception système permet aux utilisateurs de recueillir de précieuses informations sur les niveaux de courant, et de surveiller les performances du circuit ou du système. Cela est particulièrement utile dans les applications exigeant une protection ou un contrôle du courant précis, comme la commande de moteurs, l'électronique de puissance ou les systèmes d'énergies renouvelables.

Figure 10 : Détection du courant avec résistances shunt. (Source de l'image : Ganmar Technologies)

Figure 11 : Capteur de courant non dissipatif GMRCS000. (Source de l'image : Ganmar Technologies)

Ganmar Technologies propose les modules GMRCSN000 et GMRCSP000 comme solutions de détection du courant compactes, isolées et non dissipatives. Ces modules fournissent une détection de courant isolée à large bande passante sans nécessiter de résistances shunt supplémentaires dans le trajet du courant. Cette approche élimine les pertes de puissance et simplifie la conception.

Les modules GMRCSN000 et GMRCSP000 détectent le courant circulant dans le circuit et offrent deux polarités de sortie : 0 à +Vsense et -Vsense à 0. Ces plages de sortie conviennent à l'interfaçage direct avec le CAN (convertisseur analogique-numérique) des contrôleurs embarqués ou pour les contrôleurs analogiques utilisés dans les applications PFC sans pont.

L'utilisation des modules GMRCSN000 ou GMRCSP000 simplifie la mise en œuvre de la détection du courant, économise un espace carte précieux et garantit des mesures de courant précises et isolées. Pour plus d'informations sur ces modules et sur les numéros de référence applicables, contactez le support technique de Ganmar Technologies pour obtenir une assistance détaillée et des conseils d'intégration.

Conclusion

Cet article détaille une approche de conception complète pour le démarrage et la polarisation des systèmes à l'aide des modules GMR10Dx et GMR04B00x en conjonction avec des commutateurs GaN haute tension et haute puissance. L'accent est mis sur les commutateurs GaN d'Infineon, qui sont fréquemment utilisés dans des applications telles que les moteurs triphasés, les onduleurs triphasés et les chargeurs de véhicules électriques de niveau 3.

Cette conception offre plusieurs avantages par rapport aux approches traditionnelles, notamment une fiabilité, une compacité et un rendement améliorés. Les modules GMR10Dx et GMR04B00x constituent une solution polyvalente et robuste pour le démarrage et la polarisation des systèmes, en fournissant des connexions directes aux grilles de ces commutateurs.

En outre, l'article présente les modules GMRCSN000 et GMRCSP000, qui offrent une solution de détection de courant compacte et non dissipative avec des capacités de sortie flexibles. Ces modules simplifient la mise en œuvre de la détection du courant et fournissent des mesures de courant précises et isolées.

Pour les clients intéressés par l'implémentation de ces conceptions avec les composants de Ganmar Technologies, des schémas, des nomenclatures et des configurations (le cas échéant) sont disponibles au format Altium compatible KiCad. Pour de plus amples informations ou des demandes de prix et de disponibilité, veuillez contacter le support technique ou l'équipe commerciale de Ganmar Technologies.

En tirant parti des approches de conception et des solutions présentées dans cet article, les concepteurs peuvent considérablement améliorer les performances et la fiabilité de leurs systèmes utilisant des commutateurs GaN. De plus, ils peuvent bénéficier de l'expertise et du support fournis par Ganmar Technologies.