Перспективы использования GaN-технологии для управления электроприводом

GaN-кристаллы, используемые в интеллектуальных силовых модулях (Intelligent Power Module, IPM) для управления электроприводами со встроенными линеаризующими конденсаторами, позволяют значительно снизить потери мощности по сравнению с кремниевыми технологиями.

Введение

С развитием промышленной, офисной и домашней автоматизации электроприводы все чаще применяются для выполнения широкого ряда функций, начиная с управления роботизированными руками и заканчивая бытовыми стиральными машинами. современные двигатели должны быть «умными», чтобы обеспечить гибкое управление движением, большую функциональность и энергоэффективность. в то же время требуется, чтобы промышленные изделия были компактными и легкими, а коммерческая продукция имела очень низкую стоимость.

Более высокий уровень управления достигается при использовании для управления электроприводами инверторов напряжения, которые обычно генерируют трехфазный переменный ток с переменной частотой и амплитудой для управления скоростью, крутящим моментом и направлением вращения двигателя. для модулирования напряжения в инверторе применяется, как правило, частота около 16 кгц и широтно-импульсная модуляция (ШИм) для управления выходным напряжением. кремниевые MOSFET позволяют увеличить рабочую частоту на порядок, но преимущества ее повышения в электроприводах, заключающиеся в уменьшении размеров магнитных элементов, не вполне очевидны: собственно двигатель является «магнитным» элементом, размеры которого зависят от конкретного приложения. следовательно, обеспечение низкой частоты является вполне разумным решением для минимизации коммутационных потерь. Быстрые изменения напряжения dV/dt, наблюдаемые в высокочастотных устройствах, например MOSFET, создают нагрузку на изоляцию обмотки двигателя в виде выбросов напряжения или звона, приводя к пробою и частичным разрядам. кроме того, увеличиваются электромагнитные помехи (эмП), что требует установки дополнительных фильтров, а синфазные токи этих помех могут проходить через подшипники двигателя на землю, вызывая их механический износ.

Встраиваемые силовые модули

Несмотря на кажущееся отсутствие преимуществ высокочастотной коммутации, IGBT-ключи по-прежнему широко распространены. Однако чтобы повысить эффективность, применяются и Si MOSFET, у которых скорость нарастания и спада фронтов импульсов во время коммутации уменьшается за счет меньшей скорости dV/dt в цепи затвора, использования снабберов, внешних последовательных и синфазных фильтров на выходе трехфазного драйвера. При малых и средних мощностях у MOSFET меньше потери проводимости, чем у IGBT, и, безусловно, меньше коммутационные потери. Приборы обоих типов предлагаются в виде т. н. «интеллектуальных силовых модулей», или IPM-модулей, в которые обычно интегрированы шесть ключей, а также драйверы затворов и функции защиты.

Использование GaN-КЛЮЧЕЙ

IPM-модули на основе кремниевых MOSFET обеспечивают высокую эффективность. Ее дальнейшее повышение не только способствует экономии энергии и денежных средств, но и позволяет создавать изделия с улучшенными массогабаритными показателями и менее дорогими теплоотводами. Преимущества очевидны, если в результате такого усовершенствования можно избавиться от необходимости использовать ненадежный вентилятор или установить инвертор напряжения меньшего размера рядом с двигателем в манипуляторе робота, а не в удаленном шкафу. в настоящее время на рынке предлагаются более эффективные устройства на основе GaN-транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT). у приборов Infineon, в которых применяется эта технология с широкой запрещенной зоной, - меньше потери проводимости, чем у сопоставимых кремниевых MOSFET. Она может стать ключевой для реализации упомянутых выше преимуществ, намного превзойдя преимущество кремниевых MOSFET в удельной стоимости.

Ключ К УСПЕХУ - КОНТРОЛЬ НАД dV/dt

Скорость нарастания и спада фронтов GaN-ключей, например CoolGaN, очень высока - она может измеряться сотнями кВ/мкс. Это отличная характеристика миниатюрных AC/DC-и DC/DC-преобразователей, работающих на частоте 1 МГц и выше. Однако использование этих ключей в электроприводах, работающих на малых частотах, практически не дает преимуществ по сравнению с и без того минимальными коммутационными потерями у более ранних технологий. К тому же, усугубляются проблемы, связанные с электромагнитными помехами, звоном и износом подшипников. Таким образом, скорости нарастания и спада необходимо контролировать до более приемлемого уровня. Если целью приложения является обеспечение высокой эффективности, снабберы и внешние фильтры с потерями не являются предпочтительным выбором, и следует рассмотреть возможность уменьшить скорость сигнала управления затвором.

Как правило, в таком случае в цепь затвора устанавливается последовательное сопротивление, которое образует RC-фильтр с емкостью затвора, замедляя процесс переключения. При этом часто используются два резистора с диодным управлением для независимого контроля над замыканием и размыканием ключа. Такой метод является стандартным для Si MOSFET, но с GaN-ключами возникает проблема - емкость затвора изменяется в диапазоне трех декад в зависимости от условий эксплуатации, тогда как в случае с MOSFET этот диапазон намного меньше. Следовательно, введенная задержка изменяется в большой мере, вызывая соответствующее изменение скорости dV/dt. 

Рис. 1. Добавление резистора затвора ограничивает изменение скорости dV/dt

Рис. 2. Скорость нарастания и спада фронтов ограничена во всех случаях при использовании линеаризующего GaN-конденсатора

Для надежной работы двигателя скорость нарастания и спада фронтов не должна превышать 5 кв/мкс (5 в/нс). таким образом, если номиналы резисторов выбраны для наихудшего сценария, при других условиях скорость dV/dt будет намного меньше, и эффективность значительно ухудшится (см. рис. 1).

Изменение суммарной емкости затвора C_RSS в основном связано с эффектом Миллера, когда емкость затвор-сток C_GD увеличивается под воздействием напряжения стока, переходящего из высокого состояния в низкое и обратно. При этом определенную роль играет переменная выходная C_OSS и входная C_ISS емкости устройства.

Эффективным решением для оптимизации скорости нарастания и спада фронтов является выборка напряжения стока с помощью конденсатора, который генерирует ток, пропорциональный dV/dt. Ток возвращается в схему управления затвором для контроля над токами заряда и разряда затвора, чтобы обеспечить постоянную скорость нарастания и спада при всех условиях. Однако такая реализация проблематична из-за добавления высоковольтного конденсатора, который нелегко установить в IPM-модуль в качестве дискретного компонента. Кроме того, увеличивается не только стоимость такого решения, но и сложность дополнительных проводных соединений с контроллерами в IPM-модуле. Было также установлено, что паразитная индуктивность в соединении конденсатора может привести к устойчивым колебаниям и отказу устройства.

Конденсатор можно было бы изготовить как часть GaN-кристалла и обеспечить его соединение с помощью проводов, но инженеры Infineon пришли к выводу, что установка очень малого конденсатора в кристалл GaN между стоком и затвором оказывает значительное «линеаризующее» воздействие на общую емкость. величина емкости этого конденсатора равна 1,2 пФ, что примерно в два раза превышает суммарную емкость затвора. Потери драйвера затвора увеличиваются, но в любом случае они незначительны при коммутации мощности около 50 мкВт на частоте 16 кГц. Этот эффект показан на рисунке 2, где скорость фронтов точно ограничена величиной 5 В/нс; при этом dV/dt естественным образом падает до меньших значений при снижении нагрузки.

Разработанная методика позволила компании Infineon создать IPM-модули со значительно большей эффективностью, чем у Si MOSFET для одного и того же приложения, при контроле скорости нарастания и спада фронтов до приемлемых значений. Сравнение технологий в таблице показывает, что потери уменьшаются почти вдвое при одинаковом повышении температуры электропривода за счет лучшего сопротивления открытого канала GaN-прибора в IPM-модуле. В результате можно отказаться от использования радиатора или управлять более крупными двигателями при том же размере электропривода. В обоих случаях расходы сокращаются.

Выводы

Кристаллы GaN в IPM-модулях, используемых в электроприводах двигателей со встроенными линеаризующими конденсаторами, позволяют существенно уменьшить потери мощности по сравнению с кремниевыми технологиями, не вызывая проблем с высокой скоростью фронтов, наличие которых может повлиять на надежность и соответствие требованиям к электромагнитным помехам. Компоненты Infineon доказали свою устойчивость к высоким нагрузкам и коротким замыканиям, часто возникающим в электроприводах двигателей.

GaN-ключи перестали быть экзотикой - их преимущества продемонстрированы в преобразователях постоянного тока. Эти компоненты позволяют сократить системные расходы на электроприводы, перевешивая незначительное преимущество аналогов в коммутационной технологии. 

Таблица. Возможности IPM по сравнению с технологиями переключения MOSFET и GaN

	Устройство	Транзисторы	RDS(ON) (ТИП)	Ток фазы	Мощность двигателя	Повышение предоставляемой мощности
Si IPM (в наличии)	IRSM836	Trench FREDFET	разное	разный	разная	0%
Si IPM (в разработке)	IMMxx-046M	CoolMOS SJ MOSFET	1,4 Ом	0,54 А (СКЗ)	117 Вт	134%
GaN IPM (прототип)	-	CoolGaN eMode HEMT	0,8 Ом	1,04 А(СКЗ)	226 Вт	352%

Опубликовано в журнале «Электронные компоненты» №9, 2021
Техподдержка: infineon@symmetron.ru