Výkonové spínací prvky založené na nitridu galia GaN se staly preferovanou volbou pro měniče středního výkonu. Pomocí nitridu galia lze vytvořit polovodič se širokým zakázaným pásmem, které známe pod zkratkou WBG (wide bandgap). Toto zakázané pásmo (bandgap) odděluje valenční pás od vodivostního. Polovodiče WBG mají větší zakázané pásmo než u běžného křemíkového polovodiče. Křemík má toto pásmo v rozsahu 0,6 – 1,5 eV, kdežto WBG toto pásmo mají široké nad 2 eV. Polovodiče WBG umožňují pracovat při mnohem vyšších napětích, frekvencích a teplotách než běžné polovodičové materiály. Tento článek představí nejnovější generaci FET tranzistorů na bázi GaN od Efficient Power Conversion Corporation (EPC) a jejich příslušné vývojové desky, které umožňují se seznámit s jejich vlastnostmi a urychlují návrh finálního produktu.

Co je to měnič a k čemu ho motor potřebuje?

Úkolem měniče je vytvářet a regulovat průběh napětí motoru, který je často typu BLDC (bezkomutátorový stejnosměrný motor). Pomocí změny napětí je schopen řídit otáčky a krouticí moment pro hladký start a zastavení, zpětný chod a zrychlení. Měnič musí také zajistit dosažení stabilního výkonu navzdory změnám zatížení. Motorový měnič s výstupem s proměnnou frekvencí by neměl být zaměňován s měničem AC-line. Ten odebírá stejnosměrný proud ze zdroje, jako je autobaterie, aby poskytl střídavý tvar vlny s pevnou frekvencí 120/240 V, který se blíží sinusové vlně a lze jej použít k napájení zařízení napájených ze sítě.

Proč použít součástky založené na bázi GaN?

GaN mají ve srovnání s křemíkem vyšší spínací rychlost, nižší odpor v sepnutém stavu R_DS(ON) a nízké tepelné ztráty. Nižší R_DS(ON) umožňuje jejich použití v menších a lehčích motorových pohonech a snižuje ztráty energie, šetří energii a náklady v aplikacích jako jsou elektrokola a drony. Nižší spínací ztráty vedou k účinnějším motorovým pohonům, které mohou prodloužit dojezd lehkých elektrických vozidel (EV). Vyšší rychlosti spínání umožňují rychlou odezvu motoru s nízkou latencí, a to je nezbytné pro aplikace vyžadující přesné řízení jako je robotika. Schopnost GaN FET tranzistorů zpracovávat vyšší proud umožňuje jejich použití pro větší a výkonnější motory, které jsou použity například ve vysokozdvižných vozících. Hlavními výhodami jsou tedy menší rozměry a hmotnost, vyšší hustota výkonu, vyšší účinnost a velmi nízké tepelné ztráty.

Začínáme s GaN

Navrhování obvodu pro spínání vysokého výkonu, zejména pro střední proudy a napětí, vyžaduje pozornost k nejmenším detailům a vlastnostem spínacího prvku. GaN mají dvě možnosti vnitřní struktury: depletion mode (d-GaN) a enhancement mode (e-GaN). Tranzistory d-GaN je v klidovém stavu „zapnutý“, vyžaduje záporné napájení a obvody bývají složitější. Naproti tomu tranzistory e-GaN jsou v klidovém stavu „vypnuté“, a to má za následek jednodušší architekturu obvodu. Součástky GaN jsou ze své podstaty obousměrné a začnou se řídit, jakmile zpětné napětí na nich překročí prahové napětí brány. Protože nejsou schopny provozu v lavinovém režimu, je důležité mít dostatečné napětí. Jmenovité napětí 600 V je obecně dostatečné pro topologie buck, boost a bridge DC. Pro seznámení se s vlastnostmi tranzistorů GaN je vhodné využít vývojové sady, kde jsou i všechny ostatní komponenty včetně kondenzátorů, induktorů, rezistorů, diod, teplotních senzorů, ochranných prvků a konektorů.

Vynikajícím příkladem GaN FET tranzistoru pro nízké výkony je EPC2065. Je určen pro napětí zdroje V_DS 80 V, odběrový proud I_D dosahuje 60 A a maximální hodnota odporu v zapnutém stavu R_DS(ON) je 3,6 mΩ. Dodává se pouze ve speciálním pasivním pouzdře o velikosti 3,5 x 1,95 mm (obrázek 1).

Obrázek 1: 80 V, 60 A EPC2065 GaN FET ve speciálním pouzdře. (Zdroj obrázku: EPC)

EPC2065 poskytuje výjimečně nízký celkový náboj hradla Q_G a nulový náboj zpětného obnovení Q _RR. Díky těmto vlastnostem se dobře hodí pro situace, kde jsou velmi vysoké spínací frekvence (až několik stovek kilohertzů) a nízký čas zapnutí, stejně jako situace, kdy dominují ztráty v sepnutém stavu. EPC2065 obsahují dvě vyhodnocovací sady: EPC9167KIT pro 20 A/500 W a EPC9167HCKIT pro 20 A/1 kW (Figure 2). Obě sady obsahují třífázový invertorový měnič pro BLDC motory.

Obrázek 2: Na obrázku je spodní (vlevo) a horní (vpravo) deska EPC9167. (Zdroj obrázku: EPC)

EPC9167KIT používá jeden FET pro každou polohu přepínače a může dodávat až 15 A_RMS nominálně a 20 A_RMS špičkově na fázi. Naproti tomu EPC9167HC pro vyšší proudy používá dva FET tranzistory zapojeny paralelně na pozici přepínače a může dodávat až 20 A_RMS nominálně a 30 A_RMS špičkově. To demonstruje relativní snadnost, s jakou lze GaN FET konfigurovat pro vyšší výstupní proud. Blokové schéma základní desky EPC9167 je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3: Blokové schéma základní desky EPC9167 v aplikaci BLDC měniče. EPC9167HC s vyšším výkonem má dva EPC2065 paralelně pro každý kanál, zatímco EPC9167 s nižším výkonem má pouze jeden FET na kanál. (Zdroj obrázku: EPC)

Sada EPC9167KIT obsahuje všechny důležité obvody pro podporu kompletního motorového měniče, včetně driverů brány, snímání napětí, teploty, proudu a ochranných funkcí.

Cesta k vyššímu výkonu

Pro vyšší výkon je k dispozici GaN tranzistor EPC2302 se jmenovitým napětím 100 V/101 A a maximálním odporem v sepnutém stavu R_DS(ON) 1,8 mΩ. Je vhodný pro vysokofrekvenční DC-DC aplikace od 40 do 60 V a 48 V BLDC motory.

Na rozdíl od pasivovaného pouzdra používaného pro EPC2065 je tento GaN FET tranzistor umístěn v pouzdru QFN s nízkou indukčností o rozměrech 3 x 5 mm s odkrytou horní částí pro lepší odvod tepla. Tepelný odpor horní části je velmi nízký a to pouhých 0,2 °C na watt. Celé boční strany se během procesu pájení přetavením pokryjí cínem. To chrání měď a umožňuje to snadnou optickou kontrolu pájení.

Půdorys EPC2302 je menší než polovina velikosti nejlepšího křemíkového MOSFETu v podobné výkonové třídě s podobnými hodnotami R_DS(on) a napětím. Navíc je jeho Q_G a Q_GD výrazně menší a jeho Q_RR je roven nule. Díky tomu se dosáhne nižších ztrát při přepínání a nižších ztrát v driveru brány. EPC2302 pracuje s krátkou mrtvou dobou v řádu desítek nanosekund pro vyšší účinnost, zatímco jeho Q_RR s nulovou hodnotou zvyšuje spolehlivost a minimalizuje elektromagnetické rušení (EMI). K dispozici je vývojová deska EPC9186KIT Motor Controller/Driver, který je vhodný pro motory do 5 kW a je schopen dodávat proud až 150 A_RMS a 212 A_maximum (obrázek 4).

Obrázek 4: Na obrázku je horní (vlevo) a spodní (vpravo) vývojová deska EPC9186KIT 5 kW pro EPC2302. (Zdroj obrázku: EPC)

K dosažení vyššího jmenovitého proudu používá EPC9186KIT čtyři GaN FET tranzistory zapojeny paralelně. Deska podporuje spínací frekvence PWM až do 100 kHz a obsahuje všechny důležité funkce pro podporu kompletního měniče včetně driverů brány, snímání napětí, teploty, proudu a další ochranné funkce.

Závěr

Motorové měniče jsou důležitým prvkem mezi zdrojem energie a motorem. Cílem je návrh menších měničů s vyšší účinností a vyšším výkonem. Tranzistory na bázi GaN jsou proto ideální volbou, jelikož mají ve srovnání s křemíkem vyšší spínací rychlost, nižší odpor v sepnutém stavu R_DS(ON) a nízké tepelné ztráty.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com