Como usar dispositivos de potência em GaN para inversores de motor de porte médio com qualidade superior

A pressão por um uso mais eficiente das fontes de energia, as exigências regulatórias mais rigorosas e os benefícios técnicos de uma operação mais fria apoiam iniciativas recentes para reduzir a quantidade de energia consumida pelos motores elétricos. Embora as tecnologias de comutação/chaveamento, como os MOSFETs de silício, sejam amplamente difundidas, geralmente não conseguem atender aos objetivos de desempenho e eficiência mais exigentes das aplicações críticas de inversores.

Em vez disso, os projetistas podem atender a esses objetivos usando nitreto de gálio (GaN), uma tecnologia de dispositivo FET de ampla banda proibida (WBG) que melhorou e avançou em termos de custo, desempenho, confiabilidade e facilidade de uso. Os dispositivos de GaN são agora a principal tendência e se tornaram a escolha preferida para inversores em níveis de potência intermediária.

Este artigo examina como os FETs baseados em GaN de última geração da Efficient Power Conversion Corporation (EPC) possibilitam inversores de motor de alto desempenho. As placas de teste são apresentadas para ajudar a familiarizar os projetistas com as características dos dispositivos de GaN e acelerar os projetos.

O que é um inversor?

A função de um inversor é criar e regular a forma de onda de energia que aciona um motor, que geralmente é do tipo CC sem escovas (BLDC). Ele controla a velocidade e o torque do motor para partida e parada suaves, inversão e taxa de aceleração, entre outros requisitos. Ele também deve garantir que o desempenho desejado do motor seja alcançado e mantido apesar das mudanças na carga.

Observe que um inversor de motor com saída de frequência variável não deve ser confundido com um inversor de linha CA. O último recebe CC de uma fonte, como uma bateria de carro, para fornecer uma forma de onda CA de 120/240 volts de frequência fixa, que se aproxima de uma onda senoidal e pode ser usada para alimentar dispositivos operados pela rede elétrica.

Por que considerar o GaN?

Os dispositivos de GaN têm atributos atraentes em relação ao silício, incluindo velocidades de comutação mais altas, menor resistência de saturação (R_DS(ON)) de dreno-fonte e melhor desempenho térmico. O valor de R_DS(ON) mais baixo permite que eles sejam usados em acionamentos de motor menores e mais leves e reduz as perdas de potência, economizando energia e custos em aplicações como bicicletas elétricas e drones. Perdas de comutação menores levam a acionamentos de motor mais eficientes que podem aumentar a autonomia dos veículos elétricos (EVs) leves. Velocidades de comutação mais rápidas permitem uma resposta de baixa latência do motor, essencial para aplicações que exigem controle preciso do motor, como a robótica. Os FETs de GaN também podem ser usados para desenvolver acionamentos de motores de empilhadeiras mais potentes e eficientes. Os recursos de manuseio de correntes mais altas dos FETs de GaN permitem que eles sejam usados em motores maiores e mais potentes.

Para as aplicações finais, os benefícios básicos são tamanho e peso reduzidos, maior densidade de potência e eficiência, além de melhor desempenho térmico.

Primeiros passos com o GaN

O projeto de qualquer dispositivo de chaveamento de potência, especialmente para correntes e tensões intermediárias, exige atenção aos mínimos detalhes e às características exclusivas do dispositivo. Os dispositivos de GaN têm duas opções de estrutura interna: modo de depleção (d-GaN) e modo de enriquecimento (e-GaN). Um comutador de d-GaN normalmente está "ligado" e requer uma alimentação negativa; é mais complexo projetá-lo em circuitos. Em contrapartida, os comutadores de e-GaN são MOSFETs normalmente "desligados", o que resulta em uma arquitetura de circuito mais simples.

Os dispositivos de GaN são inerentemente bidirecionais e começarão a conduzir quando a tensão reversa entre eles exceder a tensão de limiar da porta. Além disso, como eles não são capazes de operar em modo avalanche devido ao design, é fundamental ter um dimensionamento suficiente de tensão. Um dimensionamento de 600 volts geralmente é adequado para tensões de barramento de até 480 volts em topologias de conversão CC buck, boost e ponte.

Embora os comutadores de GaN sejam simples em sua funcionalidade básica de ligar/desligar, eles são dispositivos de potência, portanto, os projetistas devem considerar cuidadosamente os requisitos de acionamento de ligar e desligar, o tempo de chaveamento, o layout, o impacto dos parasitas, o controle dos fluxos de corrente e as quedas nas resistências (IR) da placa de circuito.

Para muitos projetistas, aproveitar os kits de avaliação é a maneira mais eficaz de entender o que os dispositivos de GaN podem fazer e como usá-los. Esses kits usam dispositivos de GaN individuais e múltiplos em diferentes configurações e níveis de potência. Eles também incluem os componentes passivos associados, incluindo capacitores, indutores, resistores, diodos, sensores de temperatura, dispositivos de proteção e conectores.

Comece com dispositivos de baixa potência

Um excelente exemplo de um FET de GaN de baixa potência é o EPC2065. Ele tem uma tensão de dreno-fonte (V_DS) de 80 volts, uma corrente de dreno (I_D) de 60 amperes (A) e um R_DS(ON) de 3,6 miliohms (mΩ). É fornecido somente na forma de pastilha passivada com barras de solda e mede 3,5 × 1,95 milímetros (mm) (Figura 1).

Figura 1: O FET de GaN de 80 volts e 60 A EPC2065 é um dispositivo de pastilha passivada com barras de solda integradas. (Fonte da imagem: EPC)

Como em outros dispositivos de GaN, a estrutura lateral do dispositivo do EPC2065 e o diodo de portadores majoritários proporcionam plena carga de porta (Q_G) excepcionalmente baixa e carga de recuperação reversa (Q_RR) zero. Esses atributos o tornam adequado para situações em que frequências de chaveamento muito altas (até várias centenas de quilohertz) e baixo tempo de operação são benéficos, bem como para situações em que as perdas no estado ligado são predominantes.

Esse dispositivo é suportado por dois kits de avaliação semelhantes: o EPC9167KIT para operação de 20 A/500 watts e o EPC9167HCKIT de maior potência para operação de 20 A/1 quilowatt (kW) (Figura 2). Ambas são placas inversoras de acionamento de motor BLDC de três fases.

Figura 2: São mostradas as partes inferior (esquerda) e superior (direita) da placa EPC9167. (Fonte da imagem: EPC)

A configuração básica do EPC9167KIT usa um único FET para cada posição de chave e pode fornecer até 15 A_RMS (valor nominal) e 20 A_RMS (valor de pico) de corrente por fase. Em contraste, a configuração do EPC9167HC de corrente mais alta usa dois FETs paralelos por posição de chave e pode fornecer correntes máximas de até 20 A_RMS/30 ARMS (nominal/pico) de corrente de saída, demonstrando a relativa facilidade com que os FETs de GaN podem ser configurados em paralelo para uma corrente de saída mais alta. Um diagrama de blocos da placa EPC9167 básica é mostrado na Figura 3.

Figura 3: É mostrado um diagrama de blocos da placa EPC9167 básica em uma aplicação de acionamento BLDC; o EPC9167HC de maior potência tem dois dispositivos EPC2065 em paralelo para cada chave, enquanto o EPC9167 de menor potência tem apenas um FET por chave. (Fonte da imagem: EPC)

O EPC9167KIT contém todos os circuitos essenciais para dar suporte a um inversor de acionamento de motor completo, incluindo acionadores de porta, trilhas de alimentação auxiliares reguladas para suprimentos de manutenção, sensor de tensão, sensor de temperatura, sensor de corrente e funções de proteção.

O EPC9167 é acoplado a diversos controladores compatíveis e é suportado por vários fabricantes. Ele pode ser rapidamente configurado como um inversor de acionamento de motor ou um conversor CC-CC, aproveitando os recursos existentes para um desenvolvimento rápido. Na primeira função, ele fornece conversão CC-CC multifásica com suporte a frequências de chaveamento de modulação por largura de pulso (PWM) de até 250 quilohertz (kHz) em aplicações de acionamento de motor; para aplicações CC-CC sem motor, ele opera em até 500 kHz.

Optando por potência maior

No outro extremo da faixa de manuseio de potência está o EPC2302, um FET de GaN com um dimensionamento de 100 volts/101 A e apenas 1,8 mΩ de R_DS(ON). Ele é adequado para aplicações de CC-CC de alta frequência de 40 a 60 volts e acionamentos de motor BLDC de 48 volts. Em contraste com o empacotamento de pastilha passivada com barras de solda usada para o EPC2065, esse FET de GaN está alojado em um invólucro QFN de baixa indutância, medindo 3 × 5 mm com uma parte superior exposta para um gerenciamento térmico melhor.

A resistência térmica até a parte superior do invólucro é baixa, com apenas 0,2°C por watt, o que resulta em um excelente comportamento térmico e facilita os desafios de resfriamento. Sua parte superior exposta aprimora o gerenciamento térmico nessa região, enquanto os flancos laterais umedecíveis garantem que toda a superfície lateral do pad seja molhada com solda durante o processo de solda por refluxo. Isso protege o cobre e permite a soldagem nessa área externa do flanco para facilitar a inspeção óptica.

A pegada do EPC2302 é menos da metade do tamanho do melhor MOSFET de silício da categoria com R_DS(on) e dimensionamentos de tensão semelhantes, enquanto seu valor de Q_G e Q_GD são significativamente menores e o valor de Q_RR é zero. Isso resulta em menores perdas de comutação e menores perdas do acionador de porta. O EPC2302 opera com um tempo morto curto de menos de 10 nanossegundos (ns) para maior eficiência, enquanto seu valor de Q_RR de zero aumenta a confiabilidade e minimiza a interferência eletromagnética (EMI).

Para praticar com o EPC2302, a placa de teste de gerenciamento de energia do controlador/acionador de motor EPC9186KIT suporta motores de até 5 kW e pode fornecer até 150 A_RMS e 212 A_PICO de corrente de saída máxima (Figura 4).

Figura 4: São mostradas as partes superior (esquerda) e inferior (direita) da placa de teste EPC9186KIT de 5 kW para o EPC2302. (Fonte da imagem: EPC)

Para atingir esse dimensionamento de corrente mais alta, o EPC9186KIT usa quatro FETs de GaN paralelos por posição de chave, demonstrando a facilidade de usar essa abordagem para atingir níveis de corrente mais altos. A placa suporta frequências de chaveamento PWM de até 100 kHz em aplicações de acionamento de motor e contém todas as funções essenciais para suportar um inversor de acionamento de motor completo, incluindo acionadores de porta, fontes de alimentação auxiliares reguladas para manutenção da casa, detecção de tensão e temperatura, detecção precisa de corrente e funções de proteção.

Conclusão

Os inversores de motor são o elo crítico entre uma fonte de energia básica e um motor. Projetar inversores menores, com maior eficiência e melhor desempenho é um objetivo cada vez mais importante. Embora os projetistas tenham opções de tecnologia de processo para os dispositivos críticos de chaveamento de potência, usados pelos inversores de médio porte, os dispositivos de GaN, como os da EPC, são a opção preferida.