Utilisation du GaN pour les onduleurs de moteurs de gamme intermédiaire

Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.

La quête pour une utilisation plus efficace de l’énergie, des mandats réglementaires plus stricts et les avantages techniques des opérations plus fraîches soutiennent toutes les initiatives récentes visant à réduire la quantité de puissance consommée par les moteurs électriques. Alors que les technologies de commutation, telles que les MOSFET en silicium, sont répandues, elles ne peuvent souvent pas répondre aux objectifs de performances et d’efficacité plus exigeants des applications critiques d’onduleurs.

Au lieu de cela, les concepteurs peuvent atteindre ces objectifs en utilisant le nitrure de gallium (GaN), une technologie de transistors FET à large bande interdite (WBG) qui s’est améliorée en termes de coût, de performances, de fiabilité et de facilité d’utilisation. Les dispositifs GaN sont désormais courants et sont devenus le choix préféré pour les onduleurs de puissance intermédiaire.

Figure 1. Le transistor FET GaN EPC2065 de 80 V, 60 A, un dispositif diélectrique passivé avec barres de soudure intégrées. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF] et EPC

Qu’est-ce qu’un onduleur?

Un onduleur crée et régule la forme d’onde de la tension qui entraîne un moteur, souvent un type CC sans balais (BLDC). Il contrôle la vitesse et le couple du moteur pour un démarrage et un arrêt en douceur, une inversion, et un taux d’accélération, entre autres exigences. L’onduleur doit garantir que les performances souhaitées du moteur sont atteintes et maintenues malgré les variations de charge.

Un onduleur de moteur à sortie à fréquence variable ne doit pas être confondu avec un onduleur de ligne CA. Ce dernier prélève du courant continu d’une source telle qu’une batterie de voiture pour fournir une forme d’onde CA de 120/240 V à fréquence fixe, qui approche une onde sinusoïdale et peut alimenter des appareils fonctionnant sur le secteur.

Les dispositifs GaN ont des attributs attrayants par rapport au silicium, notamment des vitesses de commutation plus élevées, une résistance de drain-source (RDS(ON)) plus faible et de meilleures performances thermiques. Une RDS(ON) plus faible leur permet d’être utilisés dans des entraînements de moteurs plus petits et plus légers et réduit les pertes de puissance, économisant énergie et coût dans des applications telles que les vélos électriques et les drones. Des pertes de commutation plus faibles conduisent à des entraînements de moteurs plus efficaces, étendant ainsi la portée des véhicules électriques légers. Des vitesses de commutation plus rapides permettent une réponse moteur à faible latence, essentielle pour les applications nécessitant un contrôle moteur précis, comme la robotique. Les FET GaN peuvent également être utilisés pour développer des entraînements de moteurs de chariots élévateurs plus puissants et plus efficaces. Les capacités de gestion de courant plus élevées des FET GaN leur permettent d’être utilisés pour des moteurs plus larges et plus puissants.

Les avantages finaux pour les applications finales sont une taille et un poids réduits, une densité de puissance et une efficacité plus élevées, et de meilleures performances thermiques.

Démarrer avec le GaN (Nitrures de Gallium)

Concevoir avec tout dispositif de commutation de puissance, en particulier pour des courants et des tensions intermédiaires, nécessite une attention aux plus petits détails et caractéristiques uniques de l’appareil. Les dispositifs GaN ont deux options de structure interne : mode de déplétion (d-GaN) et mode d’amélioration (e-GaN). Un interrupteur d-GaN est normalement « allumé » et nécessite une alimentation négative ; il est plus complexe à concevoir dans les circuits. En revanche, les interrupteurs e-GaN sont des transistors normalement « éteints », ce qui entraîne une architecture de circuit plus simple.

Les dispositifs GaN sont intrinsèquement bidirectionnels et commenceront à conduire une fois que la tension inverse à travers eux dépasse la tension de seuil de la porte. De plus, comme ils ne peuvent pas fonctionner en mode avalanche par conception, il est crucial d’avoir une cote de tension suffisante. Une cote de 600 V est généralement adéquate à des tensions de bus allant jusqu’à 480 V pour les topologies de conversion CC en buck, boost et pont.

Bien que les interrupteurs GaN soient simples dans leur fonctionnalité de commutation de puissance on/off de base, ce sont des dispositifs de puissance, de sorte que les concepteurs doivent soigneusement considérer les exigences de commande pour l’activation et la désactivation, le timing de commutation, la disposition, l’impact des éléments parasites, le contrôle des flux de courant, et les chutes de courant et de résistance (IR) sur la carte de circuit imprimé.

Pour de nombreux concepteurs, les kits d’évaluation sont le moyen le plus efficace de comprendre ce que les dispositifs GaN peuvent faire et comment les utiliser. Ces kits utilisent des dispositifs GaN individuels et multiples dans différentes configurations et niveaux de puissance. Ils comprennent également les composants passifs associés, y compris les condensateurs, les inductances, les résistances, les diodes, les capteurs de température, les dispositifs de protection et les connecteurs.

L’EPC2065 est un excellent exemple de FET GaN de faible puissance. Il a une tension drain-source (VDS) de 80 V, un courant de drain (ID) de 60 ampères (A), et un RDS(ON) maximum de 3,6 milliohms (mΩ). Il est fourni uniquement sous forme de d’élice passivée avec des barres de soudure et mesure 3,5 × 1,95 millimètres (mm).

Comme d’autres dispositifs GaN, la structure latérale du dispositif EPC2065 et la diode de porteurs majoritaires offrent une charge totale de porte exceptionally basse (QG) et une charge de récupération inverse nulle (QRR). Ces attributs en font une bonne solution pour les situations où des fréquences de commutation très élevées (jusqu’à plusieurs centaines de kilohertz) et des temps d’activation faibles sont bénéfiques, ainsi que pour celles où les pertes en l’état de marche dominent.

Deux kits d’évaluation similaires prennent en charge cet appareil : l’EPC9167KIT pour une opération de 20 A/500 W et le plus puissant EPC9167HCKIT pour une opération de 20 A/1 kilowatt (kW) (Figure 2). Les deux sont des cartes d’onduleurs d’entraînement de moteur BLDC triphasé.

Figure 2. Bas (à gauche) et haut (à droite) de la carte EPC9167. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF] et EPC

La configuration de base EPC9167KIT utilise un FET unique pour chaque position de commutation et peut fournir jusqu’à 15 ARMS (valeur nominale) et 20 ARMS (valeur de pointe) de courant par phase. En revanche, la configuration EPC9167HC à courant plus élevé utilise deux FET en parallèle par position de commutation et peut fournir des courants maximums jusqu’à 20 ARMS/30 ARMS (nominal / de pointe), démontrant la relative facilité avec laquelle les FET GaN peuvent être configurés en parallèle pour un courant de sortie plus élevé. Un diagramme synoptique de la carte de base EPC9167 est illustré à la Figure 3.

Figure 3. Diagramme synoptique de la carte de base EPC9167 dans une application d’entraînement BLDC ; l’EPC9167HC de puissance plus élevée dispose de deux dispositifs EPC2065 en parallèle pour chaque interrupteur, tandis que l’EPC9167 de moindre puissance dispose d’un seul FET par interrupteur. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF] et EPC

Le kit EPC9167KIT contient tous les circuits critiques pour prendre en charge un onduleur d’entraînement complet, y compris les pilotes de porte, les alimentations secondaires régulées pour l’alimentation de soutien, le sens de tension, le sens de température, le sens de courant, et les fonctions de protection.

L’EPC9167 est compatible avec divers contrôleurs compatibles et est soutenu par plusieurs fabricants. Il peut rapidement être configuré comme un onduleur de moteur en utilisant les ressources existantes pour un développement rapide.

Montée en puissance

A l’autre extrémité de la gamme de gestion de puissance se trouve l’EPC2302, un FET GaN offrant une cote de 100 V/101 A et un RDS(ON) maximum de 1,8 mΩ. Il est bien adapté aux applications CC-CC à haute fréquence de 40 à 60 V et aux entraînements de moteurs BLDC de 48 V. Contrairement à l’emballage de dé à semi-conducteurs passivé avec barres de soudure utilisé pour l’EPC2065, ce FET GaN est logé dans un boîtier QFN à faible inductance mesurant 3 x 5 mm, avec un sommet exposé pour une gestion thermique supérieure.

La résistance thermique au sommet du boîtier est faible à seulement 0,2°C par watt, ce qui résulte en un excellent comportement thermique et facilite les défis de refroidissement. Son sommet exposé améliore la gestion thermique du côté supérieur, tandis que les flancs humides de la garniture garantissent que toute la surface du pad latéral est mouillée avec de la soudure pendant le processus de soudure par refusion. Cela protège le cuivre et permet de souder sur cette zone de flanc externe pour une inspection optique facile.

L’encombrement de l’EPC2302 est inférieur à la moitié de celui du meilleur MOSFET en silicium de sa catégorie avec des cotes de RDS(on) et de tension similaires, tandis que ses QG et QGD sont nettement plus petits et son QRR est nul. Cela entraîne des pertes de commutation plus faibles et des pertes de pilote de porte plus faibles. L’EPC2302 fonctionne avec un temps de mort court de l’ordre de dizaines de nanosecondes (ns) pour une meilleure efficacité, tandis que sa valeur QRR nulle améliore la fiabilité et minimise les interférences électromagnétiques (EMI).

Pour tester l’EPC2302, la carte d’évaluation de gestion de l’alimentation du contrôleur / pilote de moteur EPC9186KIT prend en charge les moteurs jusqu’à 5 kW et peut fournir jusqu’à 150 ARMS et 212 APEAK de courant de sortie maximal (Figure 4).

Figure 4. Haut (à gauche) et bas (à droite) de la carte d’évaluation EPC9186KIT de 5 kW pour l’EPC2302. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF] et EPC

Le kit EPC9186KIT utilise quatre FET GaN en parallèle par position de commutation pour atteindre une cote de courant plus élevée, démontrant la facilité d’utilisation de cette approche pour atteindre des niveaux de courant plus élevés. La carte prend en charge des fréquences de commutation PWM jusqu’à 100 kHz dans les applications d’entraînement de moteur. Elle comporte toutes les fonctions critiques pour prendre en charge un onduleur d’entraînement de moteur complet, y compris les pilotes de porte, les alimentations secondaires régulées pour l’alimentation de soutien, la détection de tension et de température, la détection de courant précise et les fonctions de protection.

Les onduleurs de moteur sont un lien critique entre une source d’alimentation de base et un moteur. Concevoir des onduleurs plus petits, plus efficaces et plus performants est un objectif de plus en plus important. Bien que les concepteurs aient le choix des technologies de processus pour les dispositifs de commutation de puissance critiques utilisés par les onduleurs de milieu de gamme, les dispositifs GaN sont les options préférées.

Cet article a été publié à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].