Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
IGE-XAOIGE-XAO
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Urządzenia półprzewodnikowe GaN HEMT do sterowania silnikami

ghost666 26 Mar 2020 09:43 498 1
  • Tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) oparte na azotku galu (GaN) oferują doskonałą charakterystykę elektryczną i stanowią ważną alternatywę dla tranzystorów MOSFET i modułów IGBT w aplikacjach do sterowania silnikami w systemach o wysokim napięciu zasilania i wysokiej częstotliwości przełączania. Poniższy artykuł koncentruje się na zaletach tranzystorów GaN HEMT w stopniach mocy i falownikach silników elektrycznych o dużej gęstości mocy.

    Korzyści z wykorzystania układów GaN

    Azotek galu jest materiałem szerokopasmowym, tj. półprzewodnikiem o szerokiej przerwie energetycznej. Jako taki, jego pasmo wzbronione (tj. odpowiadające energii wymaganej do przejścia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia) jest znacznie szersze niż w krzemie - wynosi około 3,4 elektronowolta (eV), w porównaniu z 1,12 eV dla krzemu. Wyższa ruchliwość elektronów w GaN przekłada się na większą prędkość przełączania układu, ponieważ ładunki, które normalnie gromadzą się w złączach, mogą być szybciej rozpraszane. Krótsze czasy narastania, niższe wartości rezystancji kanału w stanie włączonym (RDS(on)) oraz zmniejszona pojemność bramki i pojemność wyjściowa - jest to osiągalne dzięki wykorzystaniu GaN do produkcji tranzystora. Wszystko to przyczynia się do redukcji strat podczas przełączania i zwiększenia możliwości pracy z sygnałami o wysokiej częstotliwości - do poziomu około 10 razy większego niż w krzemie. Zmniejszenie strat mocy przynosi dodatkowe korzyści, takie jak bardziej efektywne wykorzystanie mocy, mniejsze rozpraszanie ciepła i prostsze systemy chłodzenia.

    Urządzenia półprzewodnikowe GaN HEMT do sterowania silnikami
    Rys.1. Całkowite straty układu
    dla tranzystorów z GaN i z krzemu.
    Możliwość pracy przy wysokich częstotliwościach przełączania umożliwia tworzenie rozwiązań o zmniejszonej powierzchni, ciężarze i objętości, unikając stosowania dużych elementów, takich jak dławiki i transformatory. Rysunek 1 pokazuje linie trendu dla strat przewodzenia i przełączania dla urządzeń wysokiej mocy, zbudowanych w technologii krzemowej i z azotku galu, w miarę wzrostu częstotliwości przełączania. W przypadku obu materiałów straty przewodzenia pozostają stałe, ale straty podczas przełączania narastają. Jednakże, wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania straty przełączania tranzystora GaN HEMT pozostają istotnie niższe niż w przypadku krzemowego MOSFETa lub modułu IGBT. Im wyższa częstotliwość przełączania, tym wyraźniejsza staje się różnica.

    Główne zalety układów HEMT z GaN, w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami krzemowymi, to:

    * Wyższa szybkość przełączania (dV/dt na poziomie 100 V/ns lub więcej), co pozwala na osiągnięcie wyższych częstotliwości przełączania i redukcję strat przełączania układu;
    * Prawie zerowy ładunek wstecznego upływu (ponieważ GaN HEMT nie mają wewnętrznej diody), co redukuje ilość potrzebnych elementów zewnętrznych i redukuje generowane zakłócenia elektromagnetyczne (EMI);
    * Możliwość pracy w wyżej temperaturze (do około 300°C) bez wpływu na możliwości przełączania;
    * Wyższe napięcie przebicia (powyżej 600 V);
    * Straty przełączania (przy danej częstotliwości przełączania i prądzie silnika), które wynoszą od 10% do 30% strat krzemowego MOSFETa;
    * Wyższa sprawność układu, mniejsza powierzchnia i mniejsza waga układu.

    Wszystkie te cechy sprzyjają zastosowaniu urządzeń GaN HEMT w projektach sterowników do silników elektrycznych, pracujących przy wyższym napięciu i wysokiej częstotliwości przełączania. Dzięki tym urządzeniom, projektanci mogą budować sterowniki silników elektrycznych, które osiągają te same parametry wyjściowe co konstrukcja na bazie krzemu, ale mają bardziej kompaktowe rozmiary i zapewniają mniejszy pobór mocy.

    Sterownik silnika elektrycznego o wysokiej sprawności

    Silniki bezszczotkowe (BLDC) o niskim napięciu, niskiej indukcyjności i dużej prędkości obrotowej wymagają obwodów sterowania o typowych częstotliwościach przełączania pomiędzy 40 kHz a 100 kHz, zdolnych do minimalizacji strat i szybkiej zmiany momentu obrotowego silnika. Typowe rozwiązanie do napędzania silnika BLDC pokazane jest na rysunku 2. Obejmuje ono przetwornicę AC/DC, obwód prądu stałego (przedstawiony na rysunku 2 jako kondensator) i przetwornicę DC/AC (falownik).

    Pierwszy stopień, zwykle oparty na diodach lub tranzystorach, przekształca napięcie sieciowe o częstotliwości 50 Hz w napięcie stałe, które jest następnie filtrowane i przechowywane w obwodzie prądu stałego (w pojemności) do późniejszego wykorzystania przez falownik. Falownik z kolei przetwarza napięcie stałe w trzy sinusoidalne sygnały korzystając z modulacji szerokości impulsu (PWM) - każda z nich zasila jedną fazę silnika BLDC.

    Urządzenia półprzewodnikowe GaN HEMT do sterowania silnikami
    Rys.2. Uproszczony schemat blokowy typowego rozwiązania sterownika silnika.


    Obwód prądu stałego filtruje napięcie i prąd pochodzący z przetwornicy AC/DC, tłumi stany przejściowe napięcia (przepięcia), które mogą uszkodzić tranzystory falownika, zmniejsza prądy indukcyjne, które mogłyby uszkodzić tranzystory falownika, stabilizuje napięcie dostarczane do obciążenia i poprawia ogólną sprawność układu. Kondensator musi działać w szczególnie krytycznych warunkach, takich jak wysoka prędkość narastania prądu i wysokie skoki napięcia na okładkach. Dlatego projektant powinien starannie dobierać ten element, aby zapewnić wymagane cechy dla wysokiego napięcia - wybierając na przykład kondensator z metalową elektrodą (BME).

    Zintegrowane rozwiązania energetyczne

    Wracając do rysunku 2, tranzystory GaN HEMT są zwykle stosowane do realizacji stopnia falownika sterownika silnika, najbardziej krytycznego punktu systemu sterownika silnika o wysokim napięciu i wysokiej częstotliwości. Obecnie dostępnych jest na rynku kilka zintegrowanych urządzeń opartych na technologii GaN tego rodzaju.

    Na przykład układ NV6113 firmy Navitas Semiconductor integruje w sobie tranzystor HEMT GaN o rezystancji kanału 300 mΩ i maksymalnym napięciu pracy 650 V, sterownik bramki i pozostałą, potrzebną do działania logikę. Wszystko to zamknięte jest w kompaktowym pakiecie QFN o wymiarze 5 mm x 6 mm. Układ NV6113 może wytrzymać szybkość narastania napięcia do 200 V/ns i działa z częstotliwością kluczowania do 2 MHz.

    Zoptymalizowane pod kątem topologii pracy w wysokich częstotliwościach i łagodnego przełączania, moduł tworzy łatwy w użyciu, wysoce wydajny blok kontroli zasilania. Układ scalony mocy rozszerza możliwości tradycyjnych topologii (takich jak w przetwornicach flyback, half-bridge i układach rezonansowych) na częstotliwości przełączania powyżej pasma megahercowego. NV6113 może być wdrożony jako pojedyncze urządzenie w typowej topologii przetwornicy lub w systemie równolegle połączonych modułów, do stosowania w popularnej topologii półmostkowej.

    Urządzenia półprzewodnikowe GaN HEMT do sterowania silnikami
    Rys.3. Schemat blokowy modułu
    TIDA-00909.
    Texas Instruments oferuje szeroką ofertę zintegrowanych urządzeń przełączających GaN dla systemów mocy. Na przykład LMG5200 integruje półmostkowy stopień mocy o napięciu pracy do 80 V, który oparty jest na tranzystorach FET GaN. Urządzenie składa się z dwóch GaN FET sterowanych przez jeden sterownik wysokiej częstotliwości w konfiguracji półmostkowej. Aby uprościć projektowanie urządzeń z wykorzystaniem tych układów, TI zapewnia TIDA-00909 - referencyjny projekt dla sterowników silnikowych wysokiej częstotliwości wykorzystujących falowniki trójfazowe z trzema modułami LMG5200. Projekt TIDA-00909 posiada interfejs sterujący kompatybilny z zestawem rozwojowym LaunchPad dla mikrokontrolera C2000.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/maurizio-di-paolo-emilio/articles/gan-hemts-boost-electric-motor-applications

    Cool! Ranking DIY
    Ethernet jednoparowy (SPE) - rozwiązania w przemyśle. Szkolenie 29.09.2021r. g. 11.00 Zarejestruj się za darmo
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 10546 posts with rating 8903, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • IGE-XAOIGE-XAO
  • #2
    RitterX
    Level 39  
    Warto zwrócić uwagę na różnice w sterowaniu, budową układu zasilania bramki w stosunku do MOSFET-ów i IGBT. Tranzystory GaN HEMT miewają dosyć niesamowite konstrukcje obudów, są stosunkowo małe. Należy zmodyfikować układ odbierania ciepła.