כיצד להשתמש בהתקני הספקת-כוח GaN עבור מהפכי מנוע מעולים בתחום הבינוני

הדחיפה לשימוש יעיל יותר במקורות אנרגיה, דרישות רגולטוריות מחמירות יותר והיתרונות הטכניים של פעולה קרה יותר, כולם תומכים ביוזמות האחרונות להפחתת כמות ההספק הנצרכת על ידי מנועים חשמליים. בעוד שטכנולוגיות מיתוג כמו סיליקון MOSFETs הן נפוצות, לעתים הן אינן יכולות לעמוד ביעדי הביצועים והנצילות התובעניים יותר של יישומי מהפך קריטיים.

במקום זאת, המתכננים יכולים לעמוד ביעדים הללו באמצעות טכנולוגיית גליום ניטריד (GaN), התקן FET עם פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב, אשר השתפרה והתקדמה מבחינת עלות, ביצועים, אמינות וקלות שימוש. התקני GaN הם כעת המיינסטרים והפכו לבחירה המועדפת עבור מהפכים ברמות הספק בינוני.

מאמר זה בוחן כיצד FETs מבוססי GaN של הדור האחרון של Efficient Power Conversion Corporation‏ (EPC) מאפשרים מהפכי מנועים בעלי ביצועים גבוהים. לוחות הערכה מוצגים כדי לעזור למתכננים להכיר את מאפייני התקן GaN ולהאיץ את התכנים.

מהו מהפך (Inverter‏)?

התפקיד של מהפך הוא ליצור ולייצב את צורת גל הספקת-הכוח הדוחפת מנוע, שהוא לרוב מסוג DC ללא-מברשות (BLDC). הוא מבקר את מהירות ומומנט המנוע לטובת פעולות חלקות של התנעה ועצירה, סיבוב לאחור וקצב האצה, בין יתר הדרישות. כמו כן, עליו להבטיח כי ביצועי המנוע הרצויים מושגים ונשמרים למרות השינויים בעומס.

שימו לב שאין לבלבל בין מהפך מנוע עם יציאת תדר משתנה לבין מהפך קו AC. האחרון לוקח DC ממקור כמו סוללה לרכב כדי לספק צורת גל AC בתדר קבוע ב-120/240 וולט, שהוא בקירוב גל סינוסי וניתן להשתמש בו עבור התקנים המוזנים ממתח רשת החשמל.

מדוע לשקול GaN?

להתקני GaN יש תכונות אטרקטיביות ביחס לסיליקון, כולל מהירויות מיתוג גבוהות יותר, התנגדות מצב-מופעל מרזב-מקור (_(DS(ON‏R‏) נמוכה יותר, וביצועים תרמיים טובים יותר. התנגדות _(DS(ON‏R‏ נמוכה יותר מאפשרת שימוש בדוחפי מנועים קטנים יותר וקלים יותר ומפחיתה את הפסדי ההספק, תוך חיסכון בעלות ביישומים כגון אופניים חשמליים ורחפנים. הפסדי מיתוג נמוכים יותר תורמים לדוחפי מנועים יעילים יותר היכולים להאריך את טווח הנסיעה של רכבים חשמליים (EVs) קלים. מהירויות מיתוג גבוהות יותר מאפשרות תגובת מנוע עם שיהוי (Latency‏) קצר, שהיא חיונית עבור יישומים הדורשים בקרת מנוע מדויקת, כגון רובוטיקה. ניתן להשתמש ב-GaN FETs‏ גם לפיתוח דוחפי מנועים חזקים ויעילים יותר עבור מלגזות. יכולות הטיפול בזרם גבוה יותר של GaN FET מאפשרות להשתמש בהם עבור מנועים גדולים וחזקים יותר.

עבור יישומי קצה, היתרונות בשורה התחתונה הם הפחתת הגודל והמשקל, צפיפות הספקת-כוח ונצילות גבוהות יותר וביצועים תרמיים טובים יותר.

צעדים ראשונים עם GaN‏

תכנון עם כל התקן ממותג להספקת-כוח, במיוחד עבור זרמים ומתחים בתחום הבינוני, דורש תשומת לב לפרטים הקטנים ביותר של ההתקנים והתכונות הייחודיות שלהם. להתקני GaN יש שתי אפשרויות מבנה פנימיות: אופן מיחסור (d-GaN‏) ואופן הגברה (e-GaN‏). מתג d-GaN הוא מופעל-במצב-רגיל ודורש מתח הספקה שלילי; ולכן הוא יותר מורכב לתכנון לתוך מעגלים. לעומת זאת, מתגי e-GaN הם בדרך כלל מתגי MOSFET הם מופסק-במצב-רגיל, כשהתוצאה היא ארכיטקטורת מעגל פשוטה יותר.

התקני GaN הם דו-כיווניים אינהרנטית ויתחילו להוליך ברגע שהמתח ההפוך על פניהם יעלה על מתח הסף של השער. יתר על כן, מכיוון שהם אינם מסוגלים לפעול באופן מפולת מטבעם, חיוני שיהיה דירוג מתח מספיק. דירוג של 600 וולט הוא בדרך כלל מספיק במתחי אפיק של עד 480 וולט עבור טופולוגיות המרת DC עבור Buck ,Boost‏ וגשר.

למרות שמתגי GaN הם פשוטים בפונקציונליות הבסיסית של מיתוג ההפעלה/כיבוי שלהם, הם התקני הספק, ולכן על המתכננים לתת את הדעת על דרישות ההפעלה והכיבוי, תזמון המיתוג, פריסה, ההשפעה של אפקטים פרזיטיים, בקרה של זרימות הזרם, ומפלי התנגדות הזרם (IR) על לוח המעגלים.

עבור מתכננים רבים, ניצול ערכות ההערכה הוא הדרך היעילה ביותר להבין מה התקני GaN יכולים לעשות וכיצד להשתמש בהם. ערכות אלו משתמשות בהתקני GaN בודדים ומרובים בתצורות וברמות הספק שונות. הם גם כוללים את הרכיבים הפסיביים הקשורים, לרבות קבלים, משרנים, נגדים, דיודות, חיישני טמפרטורה, התקני הגנה ומחברים.

צעדים ראשונים עם התקני הספק נמוך יותר

דוגמה מצוינת ל-GAN FET בעל הספק נמוך יותר הוא ה-EPC2065‏. יש לו מתח מרזב-מקור (_DS‏V‏) של 80 וולט, זרם מרזב (_D‏I) של 60 אמפר (A‏), והתנגדות _(DS(ON‏R‏ של 3.6 מילי-אוהם (mΩ‏). הוא מסופק רק בצורת פיסת מוליכים-למחצה עם פסי הלחמה שעבר פסיבציה ומידותיו 3.5 × 1.95 מילימטרים (מ"מ) (איור 1).

איור 1‏: ה- GaN FET‏ EPC2065‏ V‏ 80‏, A‏ 60‏ הוא התקן פיסת מוליכים-למחצה עם פסי הלחמה שעבר פסיבציה. (מקור התמונה: EPC)

כמו עם התקני GaN אחרים, מבנה ההתקן הרוחבי של ה-EPC2065 ודיודת נשא הרוב מספקים מטען שער (_G‏Q‏) כולל נמוך ביותר ומטען התאוששות-אחורנית (_RR‏Q) אפס. תכונות אלו הופכות אותו למתאים היטב עבור מצבים שבהם תדרי מיתוג גבוהים ביותר (עד כמה מאות קילו-הרץ) וזמן מצב-מופעל קצר הם מועילים, כמו גם למצבים שבהם הפסדי מצב-מופעל הם דומיננטיים.

התקן זה נתמך על ידי שתי ערכות הערכה דומות: ה-EPC9167KIT‏ עבור פעולה של A‏ 20‏ / 500 וואט, וה-EPC9167HCKIT‏ בעל הספק גבוה יותר עבור פעולה של A‏ 20‏ / 1 קילוואט (kW‏) (איור 2). שניהם הם לוחות מהפך דוחף-מנוע BLDC‏ תלת-פאזי.

איור 2‏: מוצגים הצד התחתון (משמאל) והעליון (מימין) של לוח EPC9167‏. (מקור התמונה: EPC)

תצורת ה-EPC9167KIT הבסיסית משתמשת ב-FET יחיד עבור כל מיקום מתג ויכולה לספק עד _RMS‏A‏ 15‏ (ערך נומינלי) ו-_RMS‏A‏ 20‏ (ערך שיא) של זרם לכל פאזה. לעומת זאת, תצורת ה-EPC9167HC בעלת הזרם הגבוה יותר משתמשת בשני FETs במקביל לכל מיקום מתג ויכולה לספק זרמים מקסימליים של עד _RMS‏A‏ 20‏ / _RMS‏A‏ 30‏ (נומינלי/שיא) זרם יציאה, המדגים את הקלות היחסית שבה ניתן להגדיר את תצורת ה-GaN FETs במקביל עבור זרם יציאה גבוה יותר. דיאגרמת בלוקים של לוח EPC9167‏ מוצגת באיור 3‏.

איור 3: מוצגת דיאגרמת בלוקים של לוח הבסיס EPC9167 ביישום דוחף BLDC; ל-EPC9167HC בעל ההספק הגבוה יותר יש שני התקני EPC2065 במקביל עבור כל מתג, בעוד של-EPC9167 בעל ההספק הנמוך יותר יש רק FET אחד לכל מתג. (מקור התמונה: EPC)

ה-EPC9167KIT מכיל את כל המעגלים הקריטיים לתמיכה במהפך דוחף-מנוע שלם, כולל דוחפי שערים, פסי הספקת-כוח עזר מיוצבת עבור ספקי-כוח בדק-בית, חישת מתח, חישת טמפרטורה, חישת זרם ופונקציות הגנה.

ה-EPC9167 משתלב עם מגוון של בקרים תואמים ונתמך על ידי יצרנים שונים. ניתן להגדיר את תצורתו במהירות כמהפך דוחף-מנוע או כממיר DC-DC על ידי מינוף משאבים קיימים עבור פיתוח מהיר. בתפקיד הקודם, הוא מספק המרת DC-DC רב-פאזי התומכת באפנון רוחב פולס (PWM) עם תדרי מיתוג של עד 250 קילו-הרץ (kHz) ביישומי דוחף-מנוע; עבור יישומי DC-DC שאינם מנועים, הוא פועל עד 500 קילו-הרץ.

הולכים להספק גבוה יותר

בקצה השני של תחום הטיפול בהספק נמצא ה-EPC2302‏, GaN FET‏ עם דירוג של 100 וולט / 101 אמפר והתנגדות _(DS(ON‏R‏ של mΩ‏ 1.8‏ בלבד. הוא מתאים היטב עבור יישומי DC-DC בתדר גבוה מ-40 עד 60 וולט ודוחפי מנועי BLDC של 48 וולט. בניגוד למארז פיסת מוליכים-למחצה עם פסי הלחמה שעברה פסיבציה המשמש עבור ה-EPC2065‏, GaN FET‏ זה נתון במארז QFN בעל השראות נמוכה בגודל 3 × 5 מ"מ עם חלק עליון חשוף לטובת ניהול תרמי מעולה.

ההתנגדות התרמית של החלק העליון של המארז היא נמוכה ועומדת על C‏°‏0.2‏ לכל וואט, כשהתוצאה היא התנהגות תרמית מעולה המקלה על אתגרי הקירור. החלק העליון החשוף שלו משפר את הניהול התרמי של הצד העליון, בעוד שהפאות הניתנות-להרטבת-צד מבטיחות שמשטח פד-הצד השלם יירטב עם סגסוגת-הלחמה במהלך תהליך הלחמת Reflow‏. זה מגן על הנחושת ומאפשר הלחמה על אזור פאה חיצונית זו לטובת בקרת איכות אופטית קלה.

חתימת השטח של ה-EPC2302 היא פחות ממחצית הגודל של MOSFET הסיליקון הטוב-בסוגו עם התנגדות _(DS(on‏R‏ ודירוגי מתח דומים, בעוד שה-_G‏Q‏ וה-_GD‏Q‏ שלו הם קטנים משמעותית, וה-_RR‏Q‏ שלו הוא אפס. התוצאה היא הפסדי מיתוג נמוכים יותר והפסדי דוחף שער נמוכים יותר. ה-EPC2302 פועל עם זמן-מת קצר של פחות מ-10 ננו-שניות (ns) לטובת נצילות גבוהה יותר, בעוד ש-_RR‏Q‏ בעל ערך-אפס שלו משפר את האמינות וממזער הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

כדי להפעיל את ה-EPC2302, לוח הערכת בקר מנוע/ניהול הספקת-כוח EPC9186KIT‏ תומך במנועים של עד kW‏ 5‏ ויכול לספק זרם יציאה מקסימלי של _RMS‏A‏ 150‏ ו-_PEAK‏A‏ 212‏ (איור 4‏).

איור 4: מוצגים החלק העליון (משמאל) והתחתון (מימין) של לוח ההערכה kW‏ 5‏ EPC9186KIT עבור ה-EPC2302. (מקור התמונה: EPC)

כדי להשיג דירוג זרם גבוה זה, ה-EPC9186KIT משתמש בארבעה GaN FETs במקביל לכל מיקום מתג, המדגימים את קלות השימוש בגישה זו כדי להגיע לרמות זרם גבוהות יותר. הלוח תומך בתדרי מיתוג PWM של עד 100 קילו-הרץ ביישומי דוחף מנוע, ומכיל את כל הפונקציות הקריטיות לתמיכה במהפך דוחף-מנוע שלם, כולל דוחפי שער, ספקי כוח עזר לבדק-בית, חישת מתח וטמפרטורה, חישת זרם מדויקת, ופונקציות הגנה.

סיכום

מהפכי מנוע הם הקישור הקריטי בין מקור הספקת-כוח בסיסי לבין מנוע. תכנון מהפכים קטנים יותר, בעלי נצילות גבוהה יותר וביצועים גבוהים יותר הוא יעד יותר ויותר חשוב. בעוד שלמתכננים יש אפשרויות בחירה בטכנולוגיית התהליך עבור מהפכי תחום-בינוני בהתקני הספקת-כוח ממותגים קריטיים, התקני GaN, כמו אלה של EPC, הם האפשרות המועדפת.