Les applications alimentées par batterie, telles que les robots de nouvelle génération, les drones et les outils électriques, nécessitent une réduction de l’espace et une simplification de la conception pour contrôler les moteurs électriques. L’optimisation de la taille et des composants permet de créer des solutions innovantes qui intègrent plus de fonctions dans un espace réduit sans perdre en efficacité ni en performance.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Les applications alimentées par batterie, telles que les robots de nouvelle génération, les drones et les outils électriques, nécessitent une réduction de l’espace et une simplification de la conception pour contrôler les moteurs électriques. L’optimisation de la taille et des composants permet de créer des solutions innovantes qui intègrent plus de fonctions dans un espace réduit sans perdre en efficacité ni en performance. La technologie des circuits intégrés ePower Stage d’EPC aide à simplifier et à améliorer la conception des onduleurs dans les applications de contrôle avancé des moteurs.
Dans les onduleurs pour applications de motorisation à basse tension, la technologie GaN apporte des améliorations cruciales telles que l’augmentation de la fréquence de commutation, la réduction des composants passifs dans le filtre d’entrée du convertisseur (condensateurs et inducteurs), la forte diminution du temps mort avec l’amélioration de la qualité de la forme d’onde du courant de sortie et la densité de puissance élevée qui contribue à la réduction globale de la taille du convertisseur.
L’introduction des circuits intégrés monolithiques d’EPC en technologie GaN complète, composés d’un étage de puissance de jambe de commutation, d’un pilote de grille demi-pont avec alimentation bootstrap, et de plusieurs circuits de protection, simplifie la conception du convertisseur et permet une réduction notable du volume. Les applications innovantes comme les articulations des robots humanoïdes sont considérablement améliorées par les onduleurs de motorisation utilisant des dispositifs intégrés monolithiques, car ils permettent d’obtenir un convertisseur plus compact et plus léger ; de plus, l’onduleur fonctionne à froid grâce à leur performance d’efficacité supérieure et aux faibles pertes de commutation des dispositifs GaN, ainsi qu’à la réduction des pertes moteur grâce à la meilleure qualité des formes d’onde d’entraînement.
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Avantages du GaN
Le champ critique dans un matériau semi-conducteur détermine la tension de claquage d’un dispositif. Pour une tension de claquage donnée, plus le champ électrique est élevé, plus la largeur de la région de dérive est courte. Dans un transistor GaN, le champ critique est d’un ordre de grandeur plus élevé que celui du silicium, et la mobilité des électrons due au gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) rend la résistance ON faible tout en maintenant des dimensions réduites.
La technologie GaN est basée sur une disposition plane. En conduction inversée, un transistor GaN présente une diode de corps équivalente sans charge de récupération inverse (QRR = 0). De plus, les dispositifs GaN possèdent des capacités parasites environ d’un ordre de grandeur plus faibles que leurs homologues en silicium pour une résistance ON donnée. Des capacités parasites plus petites conduisent à une capacité de commutation plus élevée, une fréquence PWM plus élevée, et un temps mort minimal pour une meilleure efficacité du moteur.
EPC2310x: Caractéristiques de l’IC ePower Stage
La famille de produits IC ePower Stage intègre une interface logique d’entrée, un pilote de grille à transfert de niveau haute tension, et une alimentation bootstrap synchrone, avec des FET de sortie eGaN dans un circuit intégré monolithique utilisant la technologie propriétaire GaN d’EPC ; ces dispositifs sont encapsulés dans un boîtier FCQFN de 3,5 x 5 mm. La nouvelle génération de circuits intégrés monolithiques d’Efficient Power Conversion est composée de trois produits certifiés à 100 V. Les trois IC (EPC23102/3/4) diffèrent par la résistance ON (RDS,ON) des FET de puissance, permettant aux dispositifs d’être utilisés dans différentes applications. L’EPC23102 est le dispositif avec la plus basse RDS,ON avec un maximum de 6,6 mΩ pour les FET haute et basse tension, suivi par l’EPC23103 avec un maximum de 7,7 mΩ et l’EPC23104 avec un maximum de 11 mΩ. La structure des dispositifs est décrite dans le schéma bloc de la figure 1.
Figure 1. Schéma fonctionnel de l’EPC23102/3/4. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Conceptions de référence
EPC a publié plusieurs cartes de conception de référence pour les onduleurs de motorisation utilisant des FET GaN discrets et des circuits intégrés GaN. Toutes les cartes de conception de référence partagent un schéma bloc similaire et un connecteur contrôleur pour aider le concepteur à adapter le courant et la tension lors de la phase de conception de la plate-forme de l’onduleur.
Les applications de motorisation basées sur des circuits intégrés permettent des cartes plus petites et une conception plus facile. La nouvelle version de l’EPC9176 [6] et les nouvelles cartes EPC91103 [7] et EPC91104 [8] montrent un exemple de simplification et de réduction d’espace d’un onduleur de motorisation. Les cartes d’évaluation ont la même disposition mais diffèrent par l’étage de puissance et le type de capteur de courant de phase. L’EPC9176 est équipé de l’EPC23102, l’EPC91103 monte l’EPC23103, et l’EPC91104 monte les dispositifs EPC23104.
Les nouvelles cartes de conception de référence mesurent 7,5 x 7,2 cm. La tension d’entrée de l’onduleur varie de 14 V à 85 V. La structure du stack PCB comprend un PCB FR4 à 8 couches avec 2 onces sur le dessus et le bas et 4 onces de couches internes pour réduire la résistance de conduction du PCB et améliorer la dissipation thermique grâce au cuivre plus épais. Les cartes comprennent des alimentations auxiliaires pour générer 5 V et 3,3 V à partir du bus CC, des capteurs de tension de phase, des capteurs à effet Hall de courant de phase, une interface Hall/encodeur pour le contrôle des capteurs, et un circuit de protection contre les surintensités, comme le montre la figure 2.
La caractéristique la plus importante des cartes de référence est la simplification de la conception de l’onduleur, particulièrement sur leur côté supérieur. Comme montré dans la disposition dans la figure 2, seuls les dispositifs de puissance et leurs capteurs de courant de phase à effet Hall respectifs sont montés sur la surface supérieure du PCB. Cela facilite la dissipation thermique des dispositifs de puissance et une meilleure interface avec le dissipateur thermique monté sur le dessus. Tous les autres composants liés aux signaux de détection analogiques, à l’alimentation et à la protection contre les surintensités ont été placés sur le côté inférieur de la carte. Le DC-link est composé de condensateurs céramiques placés sur les côtés supérieur et inférieur de la carte, connectés au connecteur du bus CC et aux dispositifs de puissance avec des pistes alternatives de la tension d’entrée VIN et du GND, également répétées dans les couches internes pour une meilleure répartition du courant du bus CC dans les couches.
Les capteurs de courant à effet Hall montés sur les nouvelles cartes de référence permettent de réduire la complexité du circuit de détection de courant. La solution de détection de courant de phase basée sur l’effet Hall ne nécessite pas de circuits de conditionnement externes et, par comparaison avec les solutions conventionnelles utilisant des résistances de shunt, simplifie encore la conception de la carte de l’onduleur de motorisation.
Figure 2. Vues de l’EPC9176 Rev3.0 dessus et dessous avec schéma bloc du système. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Figure 3. a) Température de l’EPC3102 et b) Température de l’EPC23104 en fonction du courant de phase moteur et de la fréquence PWM. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Résultats expérimentaux
Des tests d’opération en régime permanent avec et sans dissipateur thermique et sans refroidissement par air forcé sont présentés dans la figure 3 et décrivent le comportement thermique des cartes EPC9176 et EPC91104. Avec un bus CC de 48 VDC, l’EPC23102 monté sur l’EPC9176 peut transporter en continu 15 ARMS de courant de phase moteur sans dissipateur thermique, montrant une augmentation de la température du dispositif par rapport à la température ambiante inférieure à 75 °C pour des fréquences de commutation allant jusqu’à 100 kHz et un temps mort de 50 ns. L’EPC9176, avec un dissipateur thermique en refroidissement passif (sans convection forcée), peut supporter 20 ARMS avec une augmentation de température de 65°C pour une fréquence de commutation allant jusqu’à 100 kHz et un temps mort de 50 ns.
L’EPC23104 monté sur l’EPC91104 présente un comportement thermique différent en raison de la différence de RDS,ON des dispositifs. L’EPC23104 peut atteindre 10 ARMS sans dissipateur thermique et 15 ARMS avec dissipateur thermique et refroidissement passif, avec une augmentation de la température du dispositif inférieure à 60°C, une fréquence de commutation allant jusqu’à 100 kHz et un temps mort de 50 ns.
L’utilisation de circuits intégrés « logique en puissance » facilite la conception et réduit la dimension de l’onduleur, assurant une plus grande compacité et une réduction du poids. Grâce à une fréquence de commutation plus élevée, les pertes ohmiques dans le moteur sont réduites, la taille du filtre d’entrée est réduite et l’efficacité globale du système est augmentée avec une diminution de la chaleur générée par le système ; un temps mort plus court permet un fonctionnement silencieux et améliore la performance du moteur. La taille réduite, la moindre génération de chaleur et la plus grande compacité permettent la réalisation d’onduleurs intégrés dans les moteurs, parfaits pour des applications telles que les articulations de robots humanoïdes.
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].