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.
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.
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.
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
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.
Rys.1. Całkowite straty układu
dla tranzystorów z GaN i z krzemu.
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.
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.
Rys.3. Schemat blokowy modułu
TIDA-00909.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/maurizio-di-paolo-emilio/articles/gan-hemts-boost-electric-motor-applications
Cool? Ranking DIY
