כיצד לשלב דרגות הספק GaN‏ עבור מערכות הנע של מנוע BLDC מוזן-סוללה

יישומים מוזני-סוללה כגון רובוטים שיתופיים (קובוטים), אופניים חשמליים, רחפנים תעשייתיים וכלי עבודה חשמליים דורשים מנועים חשמליים קלי משקל ורבי-עוצמה עם גורם צורה קטן. מנועי DC ללא-מברשות (BLDC) הם אופציה‏ טובה, אך האלקטרוניקה של דוחף המנוע היא די מורכבת, עם הרבה שיקולי תכנון. המתכנן חייב לווסת באופן הדוק מומנט, מהירות ומיקום ציר, תוך כדי גם הבטחת דיוק גבוה עם מינימום רעידות, רעש וקרינה אלקטרומגנטית (EMR). נוסף לכך, יש להמנע מגופי קירור מגושמים וצמות חיווט חיצוניות כדי לחסוך משקל, מקום ועלות.

כפי שקורה לעתים קרובות, האתגר עבור מתכננים הופך להיות לאזן דרישות תכנון עם לחצי זמן ותקציב—תוך מניעת שגיאות פיתוח יקרות. דרך אחת לעשות זאת היא לנצל טכנולוגיות מוליכים-למחצה מהירות, בעלות הפסדים-נמוכים, כגון גאליום ניטריד (GaN‏) עבור דרגות ההספק הדרושות לדחיפת מנועי ה-BLDC.

מאמר זה דן ביתרונות היחסיים של דרגות הספק מבוססות-GaN‏ ומציג התקן דוגמה מבית EPC, ממומש בטופולוגיית‏ חצי-גשר . המאמר מסביר כיצד להשתמש בערכות פיתוח נלוות כדי להתחיל לעבוד על פרויקט במהירות. בתהליך, מתכננים ילמדו כיצד למדוד את הפרמטרים של מנוע BLDC ולהפעיל אותו בשיטת בקרה של אוריינטציית שדה (FOC) ללא חיישנים עם מאמץ תכנות מינימלי, תוך שימוש ב-motorBench Development Suite של Microchip Technology‏.

היתרונות של GaN‏

כדי לבקר ביעילות מנוע BLDC ביישומי סוללה, מפתחים צריכים דרגת דחיפה‏ יעילה וקלת-משקל, בעלת גורם צורה קטן, שניתן לממש קרוב ככל האפשר למפעיל (Actuator). לדוגמה, בתוך בית המנוע.

טרנזיסטורים ביפולריים שער-מבודד (IGBTs) הם חסונים ויכולים למתג הספק גבוה עד 100 מגה-ואט (MW‏)‏ בתדר מקסימלי של 200 קילו-הרץ (kHz‏), אך אינם מתאימים להתקנים שעליהם לנהל טעינת סוללה במתחים של עד 80 וולט. התנגדות המגעים הגבוהה, דיודת Freewheeling והפסדי מיתוג, כמו גם זנב הזרם בזמן כיבוי, כולם ביחד גורמים לעיוות אותות, יצירת חום חריג ופליטות לא-רצויות.

טרנזיסטורי תוצא שדה (MOSFETs) מתמתגים מהר יותר והם בעלי הפסדי מיתוג והפסדים אוהמיים נמוכים יותר בהשוואה לטרנזיסטורי IGBT, אך קיבוליות השער שלהם דורשת דוחף שער חזק שיעבוד בתדרי מיתוג גבוהים. יכולת לעבוד בתדרים גבוהים היא חשובה כי זה אומר שמתכננים יכולים להשתמש ברכיבים אלקטרוניים קטנים יותר כדי להקטין דרישות של מקום כולל.

פנייה אל טרנזיסטורי GaN ניידות-אלקטרון-גבוהה ‏(HEMTs), ניידות הנשאים הגבוהה שלהם מאפשרת להם ליצור ולפרק צמתי מוליך-למחצה במהירות גבוהה ביותר ועם הפסדים קטנים. דוחף ‏GaN‏ משולב, כמו ה-EPC23102ENGRT של EPC, מתאפיין בהפסדי מיתוג נמוכים במיוחד ותדרי מיתוג גבוהים, תכונות המאפשרות תכנון התקן קומפקטי במקומות הצרים ביותר. השבב המונוליתי כולל ממשק לוגי כניסה עם ‏מסיטי רמה, טעינת bootstrap ומעגלי דוחף שער המפקחים על טרנזיסטורי היציאה GaN FET‏ בטופולוגיית חצי-גשר (איור 1‏). מארז השבב ממוטב עבור פיזור חום גבוה והשראות פרזיטית נמוכה.

איור 1‏: ה-EPC23102 כולל לוגיקת בקרה, מסיטי רמה, דוחפי שער וטרנזיסטורי יציאה GaN FET ‏בטופולוגיית חצי-גשר (שמאל). מארז השבב (ימין) ממוטב עבור פיזור חום גבוה והשראות פרזיטית נמוכה. (מקור תמונה: EPC)

פחות בזבוז חום ו-EMR‏ נמוך יותר

טרנזיסטורי היציאה EPC23102 הם בעלי התנגדות מצב-מופעל שפך-מקור‏ אופיינית (R_DS(on)) של 5.2 מילי-אוהם (mΩ) (ב-25°C). הם מטפלים במתחים עד 100 וולט ובזרמים עד למקסימום של 35 אמפר (A‏). נוסף לכך, המבנה הרוחבי של התקן ה-GaN‏ והעדרות של‏ דיודת גוף (Body Diode) אינטרינזית מספקים מטען שער (Q_G) ומטען התאוששות הפוכה (Q_RR) נמוכים במיוחד.

בהשוואה להתקן MOSFET‏ עם‏ R_DS(on) דומה, דוחף ה-GaN‏ משיג הפסדי מיתוג נמוכים יותר עד פי חמש. זה מאפשר למהפך מבוסס-GaN‏ לעבוד בתדרי אפנון רוחב תדר (PWM) גבוהים יחסית—עד 3‏ מגה-הרץ (MHz)‏—ועם זמן מת קצר יותר (מתחת ל-50 ננו-שניות (ns‏)).

מהירויות מיתוג גבוהות (dV/dt) ומקדם הטמפרטורה הנמוך של מוליכים למחצה GaN‏ בתכן מארז עם השראות פרזיטית מופחתת מקטינים למינימום עיוות אותות, ובכך מקטינים למינימום EMR‏ והפסדי מיתוג. זה מקטין את הצורך באסטרטגיות סינון, בעוד הקבלים והמשרנים הקטנים יותר והזולים חוסכים מקום על הלוח.

ביחד עם התנגדות מגעים R_DS(on) נמוכה, היתרונות האחרים של התקני ה-GaN‏, כמו המוליכות התרמית הגבוהה של מצע ה-GaN‏ ושטח המגע התרמי הגדול של מארז הרכיב, הכל ביחד מאפשר לדרגות ההספק GaN‏ למתג זרמים של עד 15 אמפר (A‏) ללא גוף-קירור (איור 2‏).

איור 2‏: עליית טמפרטורה ביחס לזרם פאזה עבור‏ דרגת הספק GaN עם טמפרטורת סביבה של ‎25.5°C ובתדרי PWM שונים. (מקור תמונה: EPC)

ה-EPC23102 גם כולל ממירי רמה חסונים מערוצי הצד-הנמוך לצד-הגבוה המתוכננים לעבוד תחת תנאי מיתוג רכים וקשים—אפילו במתחי הדק שלילי גדולים—ולמנוע ערור שגוי על ידי טרנזיינטים dV/dt מהירים‏, כוללים אלו שמקורם ממקורות חיצוניים או פאזות סמוכות. המגעגל הפנימי משלב לוגיקה וטעינת כוח bootstrap ופונקציות השבתה. פונקציות הגנה מונעות הפעלה לא-רצויה של טרנזיסטורי יציאה FET‏ כשמתחי אספקת-כוח נמוכים מדי—או אפילו תקולים.

ערכת הערכה מהפך מנוע מוכנה-לשימוש

הדרך הקלה והמהירה ביותר לציד מנוע BLDC שלוש-פאזות עם טכנולוגיית GaN היא להשתמש בערכת הערכה מהפך מנוע EPC9176KIT של EPC. היא כוללת לוח מהפך מנוע EPC9176 ולוח בקר DSP. כלול גם מתאם בקר EPC9147E פשוט נתקע עבור בקרה באמצעות בקר מארח ייחודי-ללקוח. מחבר הצימוד נושא את האותות הבאים: 3 × PWM,‏ 2 × encoder,‏ 3 × U_phase,‏ 3 × I_phase,‏ U_DC,‏ I_DC, ו-2 × status LED.

כתכן ייחוס, לוח מהפך המנוע EPC9176 מסייע בתכנון מעגל פנים-ארגוני, בעוד לוח הבקרה EPC9147A, כשמשתמשים בו עם סביבת פיתוח motorBench של Microchip Technology‏, מאפשר למשתמשים להתחיל להריץ במהירות‏ ללא הצורך להשקיע זמן בקידוד או תכנות.

מהפך מנוע ה-BLDC התלת-פאזי משלב שלושה דוחפי חצי-גשר EPC23102 GaN‏ לבקרת מנועי AC‏ או DC וממירי כוח DC/DC‏. עם‏ R_DS(on) מקסימלי של ‎6.6 mΩ‏, דרגת ההספק גורמת להפסדי חום נמוכים בזרמי עומס שיא של עד A‏ 28‏ (A_pk) או 20‎ A rms‏‎ ‏ (A_RMS) בעבודה רציפה במתחי מיתוג של עד 100 וולט. מוגדר להמרת DC/DC‏ מרובת-פאזות, ה-EPC23102 תומך בתדרי מיתוג של עד kHz‏ 500‏ ועד 250‎ kHz עבור יישומי דוחף מנוע.‏

לוח מהפך המנוע EPC9176 בגודל 8.1 ×‏ 7.5 סנטימטר (cm) כולל את כל המעגלים הפונקציונליים הקריטיים הדרושים כדי לתמוך במהפך מנוע שלם,‏ כולל קבלי אפיק DC‏, דוחפי שער, מתחי עזר מיוצבים, מתח פאזה, זרם פאזה, ומדידת טמפרטורה, ביחד עם פונקציות הגנה ואופציונלית מסננים הרמוניים או EMR עבור כל פאזה (איור 3‏).

איור 3‏: מהפך המנוע EPC9176 כולל קבלי אפיק DC‏, דוחפי שער, מייצב מתח, חישת מתח, פונקציות הגנת זרם וטמפרטורה ומסנני EMR‏. (מקור תמונה: EPC)

מהפך GaN שלוש-פאזות עובד במתחי כניסה מ-‏14 עד 65‎ V_DC. הוא מתמתג ללא Overshoot‏, והתוצאה מכך היא מומנט חלק ורעש ריצה מינימלי. הלוח ממוטב במיוחד לשיפוע מיתוג מהירות-גבוהה אופייני ל-GaN‏ של מתחת ‏ל-10 וולט ל-ns‏ (V/ns‏) ואופציונלית ניתן להקטינו להפעיל ממיר DC/DC‏. נוסף לכך, ניתן לחבר שני חיישני מיקום רוטור (חיישני Hall‏) הפועלים ברמות מתח שונות.

מומנט נטול-רעידות ורעש ריצה נמוך

דוגמה של מימוש מנוע BLDC‏ תלת-פאזי מדגימה את ההשפעה של תאור זמן-מת בפרמטרים מתמטיים על הריצה החלקה של המנוע, ובכך, על יצירת רעש. את זמן הנעילה במעבר המיתוג של FET הצד-גבוה והצד-נמוך של חצי-גשר מבוסס על טרנזיסטורי GaN FET ניתן לבחור להיות קצר מאוד כי טרנזיסטורי ה-GaN HEMT מגיבים מהר מאוד ואינם יוצרים Overshoot פרזיטי, כבמקרה של טרנזיסטורי MOSFET איטיים יותר.

איור 4‏ (שמאל) מראה מהפך‏ GaN‏ העובד עם זמן מת אופייני לטרנזיסטורי‏ MOSFET‏ של ‎500 ns‏ בתדר PWM של 40‎ kHz.‏ מה שאמור להיות זרם פאזה סינוסואידלי חלק מראה עיוות גבוה ביותר, שתוצאתו היא אדוות מומנט גבוהות ורעש בהתאם. באיור 4‏ (ימין) הזמן המת קוצר ל-50‎ ns‏, מה שנותן זרם פאזה סינוסואידלי עבור ריצה חלקה‏ של מנוע עם רעש נמוך מאוד.

איור 4‏: זמן‏ מת של 500‎ ns‏ בתדר PWM של ‎40 kHz (שמאל), אופייני לטרנזיסטורי MOSFET‏, גורם עיוות גבוה בזרם הפאזה וכתוצאה מכך אדוות מומנט גבוהות ורמות רעש גבוהות. עם‏ זמן מת של 50‎ ns‏ (ימין), מקבלים זרם פאזה‏ סינוסואידאלי כזה שהמנוע מסתובב בצורה חלקה עם רעש נמוך. (מקור תמונה: EPC)

פחות אדווה בזרם הפאזה משמעותה גם הפסדי מגנוט נמוכים יותר בסלילי הסטטור, בעוד פחות אדווה במתח הפאזה מאפשרת רזולוציה גבוהה יותר, כמו גם בקרה מדויקת יותר של מומנט ומהירות, במיוחד עבור מנועים עם השראות נמוכה המשמשים בתכנים קטנים יותר.

עבור יישומי דוחף מנוע הדורשים יותר הספק, קיימים שני לוחות מהפך GaN‏: ה-EPC9167HCKIT ‏(1 קילו-ואט (kW‏‏)) וה-EPC9167KIT‏ (500 ואט‏). שניהם משתמשים ב-EPC2065 GaN FET‏, שהוא בעל R_DS(on) מקסימלי של ‎3.6 mΩ‏ ומתח התקן מקסימלי של 80 וולט. בעוד לוח ה-EPC9167 משתמש בטרנזיסטורי FET יחידים עבור כל מצב מיתוג, ל-EPC9167HC יש שני טרנזיסטורי FET‏ העובדים במקביל, ומספקים זרם יציאה של ‏42‎ A_pk ‏(30‎ A_RMS). ה-EPC2065 GaN FET תומך בתדרי מיתוג PWM של עד 250‎ kHz‏‏ ביישומי בקרת מנוע ובמקסימום של kHz‏ 500‏ בממירי DC/DC‏.

אפילו הספק גבוה יותר—עד ‎1.5 kW‏‏—מסופק על ידי לוח המהפך ב-EPC9173KIT. הלוח יוצר את ענפי החצי-גשר של שני מעגלים-משולבים (ICs) דוחפי שער GaN‏ EPC23101ENGRT שהם בעלי FET הספק צד-גבוה משולב אחד בלבד‏. לוח זה ניתן להרחבה כממיר buck,‏ boost, חצי-גשר, גשר-שלם או LLC. הוא מספק זרמי יציאה של עד 50‎ A_pk ‏(35‎ A_RMS) ועובד בתדרי מיתוג PWM של עד ‎250 kHz‏‏, עם קירור מתאים.

סיים והפעל את דרגת הדוחף בדקות ספורות

הדרך המהירה ביותר להעריך את לוח המהפך EPC9176 GaN‏—ללא הצורך בקידוד—היא להשתמש בלוח ממשק הבקר EPC9147A. מודול‏ נתקע (PIM)—ה-MA330031-2—כולל את הdsPIC33EP256MC506-I-PT 16-bit DSP‏ מבית Microchip Technology‏ (איור 5‏).

איור 5‏: כרטיס ממשק הבקר האוניברסלי EPC9147A יכול לקבל מודולים תקיעים שונים, כמו ה-MA330031-2 PIM, שמבוסס על ה-16‎-bit dsPIC33EP256 DSP. (מקור תמונה: EPC/Microchip Technology)

כדי לסייע לפעולת ממשק בקר ה-DSP, מתכננים יכולים להשתמש בחבילת הפיתוח motorBench, אליה עליהם להוסיף:

1. MPLAB X IDE_V5.45 והעדכון המומלץ
2. Code Configurator Plugin (קומפילציה ספציפית ל-DSP)
3. motorBench plugin 2.35 (דוגמאות מנוע)

לצורך דיון זה, הדוגמה משתמשת בלוח מהפך המנוע EPC9146 GaN‏, אם כך:

4. התחל עם MCLV-2 או פרויקט EPC עבור ה-EPC914xKIT הנקרא, “sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X”

המשתמש יכול פשוט לבחור בקובץ hex (קובץ מקור הקסדצימלי) דוגמה עבור לוח מהפך המנוע EPC9146 GaN‏ ולהציג אותו לזמן קצר (flash it) ב-DSP dsPIC33EP256MC506 תוך שימוש במתאם תכנות, כמו ה-PG164100 של Microchip Technology‏ עבור מיקרו-בקרי ‎16-bit. מנוע ה-BLDC המחובר (Teknic_M-3411P-LN-08D) ניתן אחר כך לבקרה ידנית באמצעות הבקרים ועובד בשיטת FOC ללא חיישנים.

אם המנוע אינו עובד באופן משביע רצון או יש להגדירו למצב עבודה שונה, motorBench גם מספקת‏ קובץ דוגמה ניתן להגדרת-תצורה שיש לבצע עליו קומפילציה לפני הצגתו. פרמטר‏ יסודי אך חשוב עבור דוחפי מנוע GaN, כנידון לעיל, הוא זמן‏ מת של ‎50 ns‏ או פחות, שחייבים לבדוק בהחלט לפני קומפילציה של קובץ ה-hex.

פרמטרים מותאמים-במיוחד עבור מנוע BLDC

כדי להגדיר תצורה של מנוע BLDC מותאם-במיוחד עבור עבודה בשיטת FOC ללא חיישנים תוך שימוש ב-motorBench IDE, משתמשים יכולים למדוד את פרמטרי המנוע הספציפיים שלהם ולהזין את הערכים הרלוונטיים לקובץ‏ הגדרת תצורה. לדוגמה, מנוע ה-MOT-I-81542-A מבית ISL Products International, יכול לשרת כאן כמנוע‏ בדיקה. הוא צורך כ-361 ואט של הספק בעבודה מ-24 וולט ורץ במהירות של 6100 סיבובים לדקה (rpm).

ראשית יש לקבוע את ארבעת פרמטרי המנוע הבאים:

• התנגדות אוהמית: זה נמדד בין הדקי סליל הסטטור על ידי שימוש ברב-מודד
• השראות: נמדדת בין הדקי סליל הסטטור על ידי שימוש ברב-מודד
• זוגות קטבים: כדי לקבוע את זוגות הקטבים, על המתכנן לקצר שתי פאזות, להשאיר את השלישית פתוחה, ואחר כך לספור את מספר אותות ה-latch בסיבוב ידני אחד של הציר, אחר כך לחלק את התוצאה בשתיים
• כוח אלקטרומוטיבי אחורי (BEMF): ה-BEMF נמדד בין הדקי סליל הסטטור תוך שימוש באוסצילוסקופ. כדי לבצע את זה, המתכנן חייב:
  • להדק את הבחון למוליכים של שתי פאזות, תוך השארת השלישית פתוחה
  • לסובב ידנית את ציר המנוע ולרשום את הענות המתח
  • למדוד מתח peak-to-peak ‏A_pp וזמן מחזור T_half של חצי גל הסינוס הגדול ביותר (איור 6‏).

איור 6: ה-BEMF נקבע על ידי מדידת מתח peak-to-peak ‏A_pp וזמן מחזור T_half של חצי גל הסינוס הגדול ביותר. (מקור תמונה: EPC)

תוך התייחסות לדוגמת הפרויקט שלעיל, Microchip קבעה את הפרמטרים הבאים עבור מנוע ה-Teknic M-3411P-LN-08D‏ (8.4‎ A_RMS, שמונה קטבים, מומנט = 1 ניוטון-מטר (Nm), ודרוג הספק של‏ 244 ואט‏):

• A_pp = 15.836 V_pp
• T_half = 13.92 ms
• זוגות קטבים: 4‏ = pp
• אחר כך Microchip חישבה את קבוע ה-BEMF‏ (עבור ‎1000 rpm = 1 k_rpm), תוך שימוש במשוואה 1:

 משוואה 1

עבור מנוע דוגמה זה

(השתמשו בערך של 10.2 עבור motorBench)

• R_L-L = 800 mΩ התנגדות קו-לקו, פחות ‎100 mΩ בשל חוטי מד LCR
• L_d = L_q = 1 mH השתמשו בדוגמה זו, למרות מדידת 932 מיקרו-הנרי (µH)

הפרמטרים שנקבעו מוזנים אל תוך תת-התפריט Configure/PMSM Motor של motorBench. כדי לעשות זאת מתכננים יכולים פשוט להשתמש בקובץ קונפיגורציית ה-XML של סוג מנוע דומה. לחילופין, ניתן להזין את הפרמטרים אל תוך קובץ קונפיגורציה חדש (ריק) שניתן ליבא באמצעות כפתור ה-"Import Motor".

מסקנה

מעגלים-משולבים (ICs) דוחפי מנוע GaN‏ משיגים ביצועי נצילות גבוהה בדוחפי מנוע BLDC מוזני-סוללה עם גורם צורה קטן ומשקל קל. משולבים בבית המנוע, הם מוגנים היטב, מפשטים תכנון והתקנת התקן ומפחיתים תחזוקה.

מתכננים ומתכנתים של יישומי מנוע BLDC הנתמכים על ידי מעגלי ייחוס, בקרי DSP מבוססי-דגם מתוכנתים-מראש וסביבת פיתוח מנוע,‏ יכולים לקצר זמן תכנון מעגל ולהתמקד יותר בפיתוח יישומים.