I dispositivi di potenza al nitruro di gallio (GaN) stanno abilitando una nuova generazione di sistemi di azionamento motori con elevata efficienza e densità di potenza. Rispetto ai MOSFET al silicio convenzionali, i transistor GaN offrono una carica di gate significativamente inferiore, una capacità di uscita ridotta e una resistenza allo stato attivo molto bassa, consentendo ai convertitori di potenza di funzionare a velocità di commutazione molto più elevate. Di conseguenza, gli inverter per motori basati sulla tecnologia GaN possono raggiungere frequenze di commutazione ben superiori a 100 kHz, riducendo al contempo sia le perdite di conduzione che quelle di commutazione. Queste caratteristiche consentono l’utilizzo di componenti passivi più piccoli, una maggiore efficienza e progetti di sistema più compatti.
Oltre a migliorare l’efficienza, l’elevata velocità di commutazione dei dispositivi GaN consente un controllo del motore con una larghezza di banda maggiore e migliori prestazioni dinamiche. Tuttavia, le rapide variazioni di tensione che si verificano quando il GaN viene attivato e disattivato pongono nuove sfide di progettazione. I fronti di commutazione con elevato dV/dt possono influire sui circuiti di misura, sull’elettronica di controllo e sul comportamento elettromagnetico. Ciò significa che la progettazione e il layout a livello di sistema devono essere eseguiti con estrema attenzione [1].
Nei sistemi di azionamento dei motori, gli ingegneri devono valutare la precisione del rilevamento della corrente, il tempo di risposta della protezione, la stabilità del circuito di controllo, il comportamento elettromagnetico e le prestazioni termiche in condizioni operative realistiche. Questi aspetti sono essenziali per garantire un funzionamento affidabile quando si adotta la tecnologia GaN nelle applicazioni come inverter per motori.
Per supportare questo processo di sviluppo, vengono spesso utilizzate piattaforme di valutazione dedicate. In questo lavoro vengono prese in considerazione due schede di valutazione basate sul transistor EPC2361 da 100 V e 750 mΩ sviluppato da Efficient Power Conversion (EPC) per applicazioni di inverter per motori trifase: l’EPC91202 e l’EPC9186HC2/HC3. La piattaforma EPC91202 consente la valutazione dell’EPC2361 in una configurazione di inverter relativamente semplice, rendendola adatta all’analisi delle prestazioni intrinseche di commutazione e conduzione del dispositivo. Al contrario, la piattaforma EPC9186HCx funge da progetto di riferimento che consente il collegamento in parallelo di più dispositivi, permettendo lo studio del funzionamento a corrente più elevata e delle considerazioni di progettazione associate al collegamento in parallelo dei dispositivi nelle architetture di azionamento motore basate su GaN.
Piattaforme di valutazione per azionamenti motore GaN
I dispositivi a banda larga, come i transistor GaN, influenzano in modo significativo il comportamento dei moderni sistemi di inverter per motori. Grazie alla loro elevata mobilità degli elettroni e alla bassa capacità parassita, i FET GaN consentono transizioni di commutazione più veloci rispetto ai MOSFET al silicio convenzionali. Queste caratteristiche consentono agli inverter per motori di funzionare a frequenze di commutazione più elevate, mantenendo al contempo un’elevata efficienza.
La perdita di potenza di commutazione di un dispositivo può essere approssimata dalla seguente formula:
Psw ≈ 0.5 · VDS · ID · (tr + tf) · fsw
Dove VDS è la tensione del dispositivo, ID è la corrente, tr e tf sono i tempi di salita e discesa della tensione, e fsw è la frequenza di commutazione.
Poiché i dispositivi GaN riducono significativamente tr e tf , le perdite di commutazione rimangono gestibili anche all’aumentare della frequenza di commutazione. Ciò consente il funzionamento nella gamma 100–150 kHz per gli azionamenti dei motori, riducendo l’ondulazione di corrente, diminuendo le dimensioni dei componenti passivi e consentendo cicli di controllo più veloci.
Piattaforme di valutazione come le schede EPC9186 ed EPC91202 forniscono utili implementazioni di riferimento per sistemi di inverter trifase per motori basati su GaN. Entrambe le piattaforme integrano gli elementi chiave di uno stadio di inverter completo, inclusi driver di gate, circuiti di rilevamento e funzioni di protezione, consentendo di studiare il comportamento dei dispositivi GaN in condizioni operative realistiche di azionamento del motore. Sebbene entrambe le schede implementino una topologia di inverter trifase completa, sono destinate a regimi operativi diversi in termini di capacità di corrente e frequenza di commutazione, rendendole adatte all’esplorazione di diversi approcci di progettazione nelle architetture di azionamento motore basate su GaN.
Piattaforma di valutazione ad alta corrente EPC9186HC2/HC3
La scheda EPC9186HC2/HC3 è una scheda di valutazione per inverter BLDC trifase progettata per dimostrare le prestazioni dei FET GaN a modalità enhanced (eGaN) da 100 V nelle applicazioni di azionamento dei motori. La scheda integra lo stadio di potenza completo necessario per un inverter trifase e consente una rapida valutazione dei dispositivi GaN nei sistemi di controllo dei motori. Lo stadio dell’inverter è implementato utilizzando FET eGaN EPC2361, disposti in una configurazione a ponte trifase. Più dispositivi sono collegati in parallelo in ciascuna posizione di commutazione per supportare un’elevata capacità di corrente mantenendo una resistenza effettiva in conduzione molto bassa. La scheda include i blocchi funzionali chiave necessari per la valutazione dell’inverter del motore: driver di gate integrati, rilevamento della corrente di fase, monitoraggio della tensione, gestione interna, alimentatori e circuiti di protezione. Queste funzioni consentono alla piattaforma EPC9186HC2/HC3 di funzionare come stadio di inverter autonomo quando collegata a un controller esterno. Il rilevamento della corrente di fase consente l’implementazione di tecniche di controllo avanzate come il controllo orientato al campo (FOC). Grazie alla sua elevata capacità di corrente e alle funzionalità di rilevamento integrate, la scheda EPC9186HC2/HC3 fornisce una comoda piattaforma per la valutazione delle architetture di azionamento motore basate su GaN, inclusi efficienza, comportamento di misurazione della corrente e risposta di protezione [3].
Piattaforma di ottimizzazione ad alta frequenza EPC91202
La scheda di valutazione EPC91202 è un inverter compatto per azionamento di motori trifase progettato per applicazioni che richiedono un’elevata frequenza di commutazione e un’elevata densità di potenza. La scheda dimostra le capacità della tecnologia FET eGaN di EPC nei sistemi di azionamento dei motori che funzionano con alimentazioni bus CC a bassa tensione.
Lo stadio di potenza è implementato utilizzando FET eGaN EPC2361, configurati in una topologia a ponte trifase. Il progetto supporta tensioni del bus CC fino a circa 76 V e correnti di uscita fino a circa 50 A RMS, a seconda delle condizioni di raffreddamento.
L’EPC91202 integra diversi sottosistemi chiave necessari per la valutazione dell’azionamento del motore:
- Circuiti di pilotaggio del gate per i dispositivi di potenza GaN;
- Rilevamento della corrente per la misurazione della corrente di fase;
- Monitoraggio della tensione e rilevamento dei guasti;
- Alimentatori di servizio.
La scheda è progettata per funzionare con un controller motore esterno, consentendo la prototipazione rapida di sistemi di azionamento motore basati su GaN. L’elevata velocità di commutazione ottenibile con i dispositivi GaN consente il funzionamento a frequenze di commutazione significativamente superiori a quelle tipicamente utilizzate negli azionamenti motore basati su silicio.
Di conseguenza, la piattaforma EPC91202 fornisce uno strumento utile per valutare il funzionamento degli inverter per motori ad alta frequenza e per studiare il comportamento a livello di sistema delle architetture di azionamento motore basate su GaN [4].
| Caratteristiche | EPC9186HC2/HC3 | EPC91202 |
| Focus applicativo | Valutazione di azionamenti per motori ad alta corrente | Valutazione di azionamenti per motori ad alta frequenza |
| Dispositivo GaN | FET eGaN EPC2361 [5] | |
| Topologia | Inverter trifase | |
| Tensione del bus CC | Fino a ~76 V | |
| Capacità di corrente in uscita | fino a 150 A RMS (più dispositivi GaN in parallelo) | Fino a ~50 A RMS |
| Capacità di frequenza di commutazione | Fino a 100 kHz | Fino a ~150 kHz |
| Funzioni integrate | Driver di gate, rilevamento della corrente, monitoraggio della tensione, protezione | |
| Applicazioni target | Robotica, azionamenti per motori ad alta corrente, attuatori industriali | Azionamenti per motori compatti ad alta frequenza, sistemi alimentati a batteria |
Misurazione della corrente e strategia di protezione
Una misurazione accurata della corrente è essenziale per l’implementazione di moderni algoritmi di controllo dei motori, in particolare nei sistemi basati sul controllo orientato al campo (FOC). Sono necessarie informazioni affidabili sulla corrente di fase per regolare la produzione di coppia, mantenere la stabilità del circuito di controllo e rilevare condizioni operative anomale.
Entrambe le piattaforme di valutazione dispongono di circuiti di rilevamento della corrente integrati che consentono di monitorare le correnti di fase dell’inverter. È possibile collegare queste misurazioni a un controller motore esterno per utilizzare algoritmi di controllo ad anello chiuso. I circuiti di rilevamento sono progettati per avere larghezza di banda e precisione sufficienti a gestire frequenze di commutazione molto più elevate rispetto a quelle utilizzate nei motori standard basati su silicio.
Entrambi i progetti di riferimento includono sistemi di protezione per garantire la sicurezza dello stadio di potenza. In caso di guasto, lo stadio dell’inverter necessita di sistemi di protezione rapidi in grado di rilevare livelli di corrente anomali e di spegnere lo stadio di potenza quando necessario.
Le funzioni di protezione includono il rilevamento di sovracorrente, che garantisce che l’inverter possa essere testato in sicurezza durante lo sviluppo e l’integrazione del sistema.
Prestazioni termiche
La gestione termica riveste un ruolo fondamentale nella progettazione di inverter per motori ad alte prestazioni, in particolare quando si sfruttano le elevate velocità di commutazione rese possibili dai dispositivi GaN. Sebbene i transistor GaN presentino in genere perdite di commutazione inferiori rispetto ai MOSFET al silicio, l’elevata densità di potenza ottenibile con questi dispositivi richiede un’attenta valutazione termica a livello di sistema.
Le prestazioni termiche della piattaforma di inverter per azionamento motore EPC9186HC2/HC3 sono state caratterizzate in condizioni operative realistiche di azionamento del motore. Le misurazioni sono state eseguite su un banco di prova per motori utilizzando un bus a 48 V CC, con frequenze di commutazione PWM di 20 kHz, 50 kHz e 100 kHz e un dead time di 75 ns. I test sono stati condotti a una temperatura ambiente di 25,5 °C, con raffreddamento sia a convezione naturale che ad aria forzata.
In condizioni di convezione naturale, la scheda EPC9186HC2/HC3 è in grado di erogare circa 40 A RMS per fase senza dissipatore, mentre con un dissipatore è possibile raggiungere 70 A RMS per fase, con un aumento di temperatura dal case del FET eGaN all’ambiente inferiore a 50 °C. Quando viene applicato un flusso d’aria forzato di circa 400 LFM (piedi lineari al minuto), la scheda è in grado di erogare correnti fino a 150 A RMS per fase in condizioni di regime stazionario.
L’aumento di temperatura subito dai dispositivi GaN in funzione della frequenza di commutazione e della configurazione di raffreddamento è illustrato nelle figure 3 e 4, sulla base dei risultati della caratterizzazione termica della scheda di valutazione EPC9186HC2/HC3.
Una caratterizzazione termica simile è riportata per la piattaforma di valutazione dell’inverter trifase EPC91202, come illustrato nella Figura 5. Il riepilogo delle prestazioni termiche della scheda EPC91202 mostra che, quando viene utilizzata su un banco motore a una temperatura ambiente di 24 °C, con un’alimentazione a 48 V CC, una frequenza di commutazione PWM di 100 kHz e raffreddamento a convezione naturale, l’inverter è in grado di erogare circa 25 Arms per fase senza dissipatore di calore e fino a 32,5 Arms per fase con un dissipatore a convezione naturale installato, mantenendo un aumento di temperatura inferiore a 50 °C dal case del FET eGaN all’ambiente. Le misurazioni della temperatura sono state registrate in condizioni di regime stazionario.
Conclusione
I dispositivi di potenza GaN consentono miglioramenti significativi in termini di velocità di commutazione, efficienza e densità di potenza rispetto alle soluzioni convenzionali basate sul silicio. Queste caratteristiche rendono la tecnologia GaN particolarmente interessante per i moderni sistemi di azionamento dei motori, tra cui robotica, automazione industriale e applicazioni alimentate a batteria.
Le schede EPC9186HC2/HC3 ed EPC91202 forniscono strumenti pratici per la valutazione delle architetture degli inverter per motori GaN. Integrando lo stadio di potenza, i circuiti di rilevamento e le funzioni di protezione, queste piattaforme consentono agli ingegneri di prototipare e valutare rapidamente soluzioni di azionamento motore basate su GaN in condizioni operative realistiche.
Riferimenti
[1] GaN Power Devices for Efficient Power Conversion, Quarta edizione – di Alex Lidow, Michael de Rooij, John Glaser, Alejandro Pozo Arribas, Shengke Zhang, Marco Palma, David Reusch, Johan Strydom.
[2] IEEE, Impacts of High Frequency, High dv/dt Environment on Sensing Quality of GaN-Based Converters.
[3] Efficient Power Conversion (EPC), EPC9186HC2/HC3 – Three-Phase BLDC Motor Drive Inverter Evaluation Board – Quick Start Guide, EPC, El Segundo, CA, USA.
[4] Efficient Power Conversion (EPC), EPC91202 – Three-Phase BLDC Motor Drive Inverter Evaluation Board – Quick Start Guide, EPC, El Segundo, CA, USA.
[5] Efficient Power Conversion (EPC), EPC2361 – 100 V 750 μΩ e-mode GaNFET – Data Sheet, EPC, El Segundo, CA, USA.
