אופטימיזציה של בקרי הספקת-כוח בבקרת מנועים תעשייתיים עם מודולי GMR10Dx עבור פתרונות ממתח רב-פאזי
2024-12-12
מאמר זה עוסק באתגרי התכנון ובשיקולים העיקריים הכרוכים בפיתוח בקר הספקת-כוח רב-פאזי אמין ובטוח. הוא ממנף את מודול ממיר DC/DC מבודד GMR10Dx עם יציאות צפות, בשילוב עם מודולי הספקת-כוח של דוחף שער מתג Bandgap-רחב כפול משולב ביותר של Ganmar Technologies. התכנון והבנייה של מודולים אלה ממוטבים כדי לעמוד בדרישות המערכת מבחינת אמינות, בטיחות, EMI וניהול תרמי.
מוצגת דוגמה לתיאור המערכת עם כניסת AC תלת-פאזית המפעילה דרגת תיקון גורם הספק (PFC), ולאחריה עומס גבוה מבוקר אפנון רוחב פולס (PWM) כגון מנוע בדירוג-תעשייתי. התכן ממוקד במיוחד בדחיפת מתגי GAN מתח-גבוה של Infineon (לשעבר GaN Systems), תוך מתן פתרון מעגל פרקטי. מוצגות המגבלות בשיטות המסורתיות עבור דחיפת מתגי Totem-Pole חצי-גשר (HB), ונבחנים פתרונות חלופיים עבור בקרת מתגי הן צד-גבוה והן צד-נמוך. מוצגים תכני מעגל פרקטיים כדי להבטיח פעולה אמינה ומאובטחת תוך הקטנת דרישות מקום. בנוסף, מאמר זה מכסה חישת זרם עם רוחב-פס רחב ועם הפסדים נמוכים כדי לפשט עוד יותר את תהליך התכנון.
סביבת התכנון של היום מציבה מספר אתגרים, כולל הצורך בחומרה קומפקטית, צריכת הספק מופחתת עבור קירור יעיל, אמינות מוגדלת עם ניהול תרמי ממוטב ופתרונות יעילים וחסכוניים. אתגרים אלה מסובכים עוד יותר עקב תקציבים מוגבלים ולוחות זמנים קצרים יותר לפיתוח. כדי להתמודד עם אתגרים אלה, מאמר זה מציג תת-מערכות ואבני בניין סטנדרטיים העוזרים לצוותי התכנון למנף את המומחיות והתאימות של ספקי תת-מערכות.
מאמר זה מציע פתרון אופטימלי לאתגרי תכנון אלה על ידי שימוש במודולי ממיר הספקת-כוח וממשק של Ganmar Technologies. המודולים המסופקים מאפשרים פיתוח יעיל של מערכת דחיפת שערים רב-פאזית, בעוד שגורם הצורה הסטנדרטי שלהם משמר נדל"ן יקר ערך על הלוח הראשי.
תכנון בקר הספקת-כוח עבור ממתח (Bias) למערכת תלת-פאזית כללית בהספק-גבוה ומתח-גבוה תוך שימוש ב-GMR10Dx
פרק זה מתאר את שיקולי התכנון ליצירת בקר הספקת-כוח לממתח (Bias) במערכת הספק-גבוה ומתח-גבוה, תוך שימוש במודולי ממיר DC/DC GMR10Dx, ביחד עם ממתח דוחף השער הצף המסופק על ידי מודולי GMR04B00x. כמתואר באיור 1a, המערכת עשויה לכלול עומס גבוה מבוקר-PWM, כגון מנוע תעשייתי, המשלב מספר מתגים ודורש מספר מתחי ממתח עבור בלוקים פונקציונליים שונים. להלן ההנחות העיקריות עבור התכן:
- שיקולי EMI: המערכת דורשת גורם הספק של כמעט-יחידה, המחייב שימוש ב-PFC.
- לוגיקת אתחול (Start-up Logic): ה-PFC כולל מעבד הדורש לוגיקת אתחול עצמאית עבור ממירי הממתח.
- פיזור הספק: הפחתת פיזור ההספק באלקטרוניקה של הבקר היא קריטית עבור האמינות ופישוט הדרישות של מערכת הקירור.
- שימוש במוצרים מן-מהדף: התכנון ממקסם את השימוש ברכיבים הזמינים מיידית.
איור 1a מתאר תצורת מערכת כוללת עבור ייחוס ויזואלי בדיוני התכנון העוקבים.
איור 1a: ממתח ואתחול מערכת בקרת עומס גבוה תעשייתי. (מקור התמונה: Ganmar Technologies)
בהתייחס לדיאגרמת הבלוקים באיור 1a, פרק זה יתמקד בתכנון בקר הספקת-כוח עבור הממתח והאינטגרציה שלו עם המערכת הכוללת. ייבחנו אפשרויות תכנון עבור כל פונקציה, להוציא ה-PFC ובקר ה-PWM, בשל הצורך במידע ספציפי יותר על דרישות ממשק מערכת כדי לטפל ביסודיות בפונקציות אלו. עקב כך מאמר זה לא יכסה רכיבים אלה בפירוט. ההנחה היא שהמערכת משתמשת במתגי GaN מתח גבוה, כמו ה-GS66516T של Infineon, אם כי יידונו גם שיקולים של טכנולוגיות מתגים חלופיות, כמו SiC או מתגים ביפולריים.
בנוסף, מאמר זה יציג את מודולי דוחף השער הצף עם הזנה-עצמית המשולבים ביותר של Ganmar Technologies, במיוחד ה-GMR04B00x. ה-“x” במספר הדגם מציין אפשרויות שונות קיימות של שבב דוחף שער כפול. עיינו בגיליון הנתונים של ה-GMR04B00x עבור מפרטים מפורטים ואפשרויות.
בקר הספקת-כוח עבור ממתח (Bias)
בקר הספקת-כוח עבור ממתח (Bias) מתוכנן להציע הגנת נפילת מתח עבור ערכי כניסת AC נמוכים (UVLO) ולהעניק כיבוי ללא-נעילה אם כניסות ה-AC עולות על הגבול המקסימלי המוגדר (OVLO). כשכניסת ה-AC נמצאת בתחום ערכי הפעולה הבטוחים, מודול GRM10Dx מייצר יציאות DC מבודדות במתחים נפוצים, בדרך כלל V 6 עד V 22. במערכות גדולות יותר ייתכן שיידרשו צורות מתח נוספות. איור 1b מציג תצורה אופיינית עבור השגת מתחים אלה. יציאת מתח נמוך של V 5 משמשת להזנת שבב דוחף השער הכפול במודול GMR04B00x, במיוחד ה-ADUM7223 של Analog Devices. עיינו בגיליון הנתונים של ה-GMR04B00x עבור אפשרויות קיימות אחרות.
איור 1b: צורות אופייניות של מעגלי Glue הנגזרות מה-GMR10Dx. (מקור התמונה: Ganmar Technologies)
מודול ה-GMR04B00x מזין פנימית את צידו הצף כדי לספק שני ממתחי V 12. ה-12 V צד-גבוה (12VH) מספק ממתח לדוחף היציאה VIA עבור מתג הספקת-הכוח העליון, עם רמת דוחף השער ב-+5.6 V / -5.6 V ביחס לצומת ה-HBU. תצורות דומות של דוחפים מפוצלים מיושמות סביב מעגלי הפאזות V ו-W.
עבור המתג בצד הנמוך יותר, 12VL נפרד מיוצר פנימית על ידי מודול GMR04B00x, שניתן להתייחס אליו עם צומת החזרת הספקת-הכוח בצד הנמוך של כל קוטביות. יציאת VIB של ה-ADUM7223, למשל, מפוצלת ל-+5.6 V / -5.6 V על ידי רשת הפיצול, כדי להבטיח שמתג ה-GAN התחתון פועל כראוי.
עבור מתגי SiC, גרסה שונה של מודול GMR04B00x מעניקה V 15, V 18 או 22 V, שניתן לקבוע במפעל כדי להתאים למתגי SiC הספק-גבוה שונים. יציאות מעגל הפיצול מספקות ±ממתח צף עבור דחיפת מתגי סיליקון קרביד בשני הצדדים, גבוה ונמוך, ביחס לצמתים העליונים HBU/V/W ובאופן דומה עבור הצמתים התחתונים של כל קוטביות. עיינו בגיליון הנתונים של ה-GMR04B00x עבור האפשרויות הקיימות.
חלק בקר הספקת-הכוח של הממתח, ביחד עם מייצבי ה-LDO המוצגים באיור 1b, מספקים כוח לשני מודולי הממשק GRM04B00x האחרים המחוברים ישירות לשערים בצמתי ה-V וה-W. נוסף לכך, יציאת V 22 יכולה לספק כוח לבקרים אנלוגיים, חלקים דיגיטליים ושבבי I/O על לוח המשתמש דרך מייצבי LDO. עבור צורכי הספק גבוה יותר, המשתמשים יכולים לעיין בדף היישומים לקבלת הנחיות על חיבור במקביל של מודולי GMR10Dx.
בעיות אתחול
חיוני לספק מקור הספקת-כוח יציב עבור המעבדים הדיגיטליים לפני הכנסתם לפעולה. זה דורש את הפעלת בקר הממתח ממקור הספקת כוח בלתי תלוי של ה-PFC. מעגל המרת ההספק Ganmar צורך עד 18 ואט ממקור ה-AC, המשפיע באופן מינימלי על יחסי הפאזה של כניסת ה-AC. מודול ה-GMR10DX תומך בתחום מתחי כניסה של DCV 100 עד DCV 320, ומכסה את התחום הטיפוסי עבור יישומים מוזני רשת-החשמל.
עבור מתחי מקור גבוהים יותר בהם נתקלים לעתים קרובות ביישומי הספק גבוה שבהם מיישרי זרם יכולים ליצור עד V 380, אנא פנו לתמיכה הטכנית של Ganmar עבור אפשרויות אחרות בסדרת GMR10Dx.
איור 2 מתאר מיישר גשר 6-דיודות טיפוסי המתאים עבור אתחול מערכת עם מודול זה. ברגע שכניסת ה-AC תעלה על RMSV 42 (Hz 60 או Hz 400), וכתוצאה מכך יציאת DCV 200 מהגשר עם קבל קטן של µF 10, המודולים יתחילו לייצר יציאות בשיהוי מקסימלי של ms 70 בתנאי עומס נמוך. שיהוי זה הוא סביר מכיוון שאין בלוקים אחרים של המערכת הצורכים הספק במהלך האתחול.
במהלך אירועי טרנזיינט, אם כניסות ה-AC גורמות ליציאת מיישר הגשר 6-דיודות לחרוג מתחום הפעולה הבטוחה של מודול הממיר, המודול יושבת עד שהמתח המיושר חוזר לרמה בטוחה. בנוסף, מאפיין הגנה נגד נפילת מתח לתת-מתח מופעל אם המתח המיושר יורד מתחת ל-V 100.
איור 2: הצריכה המקסימלית של W 18 ישירות מכניסת ה-AC עבור האתחול והממתח. (מקור התמונה: Ganmar Technologies)
סינון הכניסה
מודולי מיתוג הספקת-כוח, כמו ה-GRM10Dx, מציגים תכונת אימפדנס "שלילי" כלפי מקורות הספקת-הכוח בכניסה שלהם. תכונה זו מחייבת תכנון מסנן זהיר כדי להבטיח את יציבות הממשק. בעוד שתכן מפורט של מסנני כניסה מכוסה בהרחבה בדוחות ופרסומים שונים, מאמר זה מספק סקירה קצרה של תכונות הכניסה של מודול GRM10Dx.
עבור עומס הספקת-כוח קבוע של W 15 עקב דחיפת GaN, עם מתח מיישר של V 200 ונצילות של 0.85, האימפדנס האקוויוולנטי מחושב כ-|200²/(15/η)|, והתוצאה היא בערך k 3.14. אימפדנס זה הוא גבוה יחסית בהשוואה לאימפדנס המקור, מה שמקל על המסנן הדרוש לעקוף אותו ביעילות. עם זאת, מומלץ להתקין קבל שיכוך של V 400/µF 10 קרוב למודול ה-GRM10Dx. המודול עצמו כולל קבל של µF 0.47 כדי לטפל בשיאי זרם רגעיים כתוצאה מאירועי מיתוג פנימיים. דירוג ההתנגדות הטורית האקוויוולנטית (ESR) של הקבל החיצוני איננו קריטי, בתנאי שמסנן ה-PFC הראשי מציע מספיק שיכוך.
Ganmar Technologies גם מספקת מודול מיישר גשר כניסת AC מדור קודם, שלם עם נתיך ומסנן EMI, עבור אינטגרציה קלה עם מודול ה-GRM10Dx. זה מפשט את תהליך החיבור למקור ה-AC. לפרטים על שילוב מודול זה אנא התייעצו עם התמיכה הטכנית של Ganmar.
הפעלת ממתח הדוחף
איור 3: חיבור תלת-פאזי. (מקור התמונה: Ganmar Technologies)
איור 4: מודול GMR10D000. (מקור התמונה: Ganmar Technologies)
איורים 3 ו-4 מציגים את הסכמה והתמונה של מודול GMR10D000, ממיר DC/DC מבודד המסוגל לספק W 15 עם יציאה כפולה. OUT1V מספק בדרך כלל V 6.5 עם W 3, בעוד ש-OUT2V מספק V 22 עם W 12. שתי היציאות מגיעות למצב היציב שלהן בתוך ms 10. פרק זה יסביר כיצד לחבר את הפונקציות המוצגות באיור 1 להתקני ה-GMR10Dx כדי להשיג את הפונקציונליות והביצועים הרצויים.
איור 5: סכמה פונקציונלית של הצד הדוחף של המודול (מוצג עם GMR10D005). (מקור התמונה: Ganmar Technologies)
איור 5 מציג את חברורי המודול של מספר GMR10Dx כדי למלא את הפונקציות של בקר הספקת-הכוח עבור של הממתח. בפרק זה ניתן הסבר מפורט על היישום של GMR04B008 בהקשר של בלוק ה-HS-U. שני המודולים האחרים ניתנים לשכפול בקלות על ידי חיבור קווי הייחוס לצמתים שלהם בהתאמה.
איור 6: הסכמה הפנימית של ה-GMR04B00x עם הספקת-הכוח של השער הצף ודוחפים ישירים. (מקור התמונה: Ganmar Technologies)
איור 6 מציג את הזמינות של הספקת-הכוח V 22 ביחס לצומת GNDS "הארקה" המיוחס בדרך כלל.
דרישות ממשק דרגת ההספק
כמתואר באיור 6, ככלל מומלץ במערכות GaN ליישם מתח ממתח שלילי כדי לכבות התקני הספק GaN, במיוחד בטופולוגיות מיתוג קשה שבהן הזרמים עולים על A 30. איור 7 מספק גרפים להמחשה (באדיבות ה-Infineon Webinar) המדגימים גישה זו.
איור 7: ההשפעות של VEE על דינמיקת הכיבוי. (מקור התמונה: Infineon)
מימוש ומאפייני הפעלה/כיבוי - מימוש המודול כמפצל עבור התקני Infineon מבטיח מתחי הפעלה וכיבוי יעילים תוך כדי מזעור הפסדי המעבר לאופן כבוי. צורות הגל של הדוחף המפוצל ותכן ה-GS66xx של Infineon תורמים לנצילות משופרת, לצד תכן שנאי ייחודי המפחית שיאי Ringing במהלך הכיבוי של ה-GS66xx.
הפעלה/כיבוי
עבור הפעלה מלאה נדרש דוחף שער של V 5.6, עם השראות פרזיטית מינימלית וצימוד קיבולי בין צומתי מיתוג והפסים המוליכים. הקפדה על ההנחיות של ספק ה-GaN עבור המיקום והניתוב הנכון של המעגלים הוא חיוני.
במהלך כיבוי, מתח מקור-שער (GSV) צריך להיות נמוך משמעותית ממתח הסף (THV), עם רמת ייחוס של בערך V 0 במעגלים הנידונים כאן. מאמר זה מניח את השימוש ב-IC דוחף שער ADUM7223 של Analog Devices. חשוב לציין שנעילת תת-מתח ביציאה (UVLO) של הדוחף היא V 5, ההופכת אותו למתאים עבור דוחף שער V 5.6 הנדרש עבור התקני GaN. ניתן לחשב את פיזור הספק על ידי הדוחף עבור GaN זה תוך שימוש בגיליון הנתונים של הדוחף:
בהנחה שתדר המיתוג הוא kHz 250 והערכים להלן, ניתן לחשב את ה-DP:
|
תצורת הדוחף נותנת תוצאת פיזור של mW 100, הנמצאת בתחום היכולות של המודולים GMR10Dx ו-GMR04B00x. מודול GMR10Dx מסוגל לספק יותר הספק מהדרוש לדוחף משמעותית, ובכך מבטיח ספק-כוח חסון עבור פעולתו.
כינון HV GaN עבור הדוחף
מודול GMR10Dx מספק את מתחי הממתח הנחוצים עבור דוחפי ה-GaN העליונים כמו גם התחתונים בתצורת חצי-גשר (HB). איור 8 מציג את החיבורים עבור דוחפי ה-GaN מהמפצלים.
הייחוס הנכון של קווי הממתח הוא חיוני למניעת התנהגות מיתוג לא יציבה ונזק אפשרי להתקני ה-GaN. על המשתמשים להקפיד על ההנחיות וההמלצות המסופקות בדפי היישומים וגיליונות נתוני ה-GaN הספציפיים כדי להבטיח פעולה נכונה ובטוחה. הנחיות נוספות ניתן למצוא בתקצירי היישומים של גיליון הנתונים של המודול המשולב דוחף ישיר כפול GMR04Bx.
איור 8: סידור Totem Pole ותצורת חצי-גשר קלאסית עם חיבור ישיר של דוחף מפוצל למתגי GaN. (מקור התמונה: Ganmar Technologies)
מודול ה-GMR04B00x מספק את מתח הממתח הצף הדרוש עבור דוחף השער מתג GaN עליון, וחוסך את הצורך במעגלים נוספים כמו קבל Bootstrap מרחף כדי ליצור את מתח הממתח הדרוש.
עם מודולי GMR04B00x, מתחי דוחף השער הצפים ניתנים לחיבור ישירות לשערים של מתגי ה-GaN העליונים והתחתונים ומספקים דוחף שער יציב של ±5.6 V. גישה זו מפשטת את התכן על ידי הסרת הצורך שהבקר ימתג את ההתקן התחתון כדי ליצור את הממתח עבור דוחף השער העליון.
שימוש במודולי GMR04B00x מאפשר את השגת מתחי דחיפת השער המבוקשים עבור מתגי ה-GaN העליונים והתחתונים ללא המורכבות והרכיבים הנוספים הדרושים בשיטות ממתח חלופיות.
לסכמת Bootstrap מהדור הקודם, כפי שהיא מוצגת באיור 9, יש מספר חסרונות, כולל הצורך ברכיבים נוספים כמו דיודות וקבלים לא-פולריים, שהערכים שלהם עשויים להזדקק להתאמה בהתבסס על הדרישות הספציפיות של GaN או התקנים אחרים. בעיות אתחול והיעדר ממתח נוקשה הם שיקולים משמעותיים בגישה זו. נוסף לכך, סכמת ה-Bootstrap של הדור הקודם אינה תואמת עם צומתי HB ביפולריים.
איור 9: סכמת ממתח דוחף שער צף של הדור הקודם. (מקור התמונה: Ganmar Technologies)
לעומת זאת, הפריסה הקומפקטית של מודולי ה-GMR10Dx ו-GMR04B00x, ביחד עם ההרחבות הקשורות שלהם, מדגישה את יתרונות החיסכון במקום שלהם. זה הופך אותם לפתרון פרקטי עבור יישומים הדורשים הפעלת ממתח יעיל וייחוס נכון.
חישת זרם
איורים 10 ו-11 מציגים את השילוב של חישת זרם תוך שימוש בנגדי מצד (Shunt) עם מודולי ה-GMR10Dx ו-GMR04B00x. נגדי מצד משמשים לרוב כדי למדוד ולנטר את הזרם הזורם דרך מעגל. על ידי מיקום נגדים אלה באופן אסטרטגי בנתיב הזרם, ניתן למדוד את מפל המתח עליהם ולהשתמש בנתון זה לחישוב הזרם.
בהקשר של מודולי ה-GMR, נגדי מצד (Shunt) חישת זרם מחוברים בטור עם העומס או מודול חישת זרם מבודד עם רוחב-פס רחב. מערך זה מבטיח חישת זרם וניטור מדויקים. מודולי ה-GMR מספקים את מתחי הממתח הצפים או המיוחסים-לארקה וההספק הדרושים כדי לתמוך במערכת חישת הזרם, ולהבטיח מדידות מדויקות ואמינות.
שילוב חישת זרם בתכן המערכת מאפשר למשתמשים לאסוף מידע חיוני אודות רמות הזרם ולנטר את ביצועי המעגל או המערכת. זה שימושי במיוחד ביישומים הדורשים בקרת זרם מדויקת או הגנה, כמו מערכות בקרת מנוע, אלקטרוניקת הספק או אנרגיה מתחדשת.
איור 10: חישת זרם נגד מצד (Shunt) של הדור הקודם. (מקור התמונה: Ganmar Technologies)
איור 11: חישת זרם לא-מפזרת GMRCS000. (מקור התמונה: Ganmar Technologies)
חברת Ganmar Technologies מציעה את מודולי ה-GMRCSN000 ו-GMRCSP000 כפתרונות חיישן זרם קומפקטיים, מבודדים ולא-מפזרים. מודולים אלה מספקים חישת זרם מבודדת בעלת רוחב-פס רחב ללא צורך בנגדי מצד (Shunt) נוספים בנתיב הזרם. זה מונע הפסדי הספק ומפשט את התכן.
מודולי ה-GMRCSN000 ו-GMRCSP000 מגלים את הזרם הזורם דרך המעגל ומציעים שתי קוטביות יציאה: 0 עד Vsense+ ו-Vsense- עד 0. תחומי יציאה אלה מתאימים עבור התחברות ישירה עם ממיר ה-ADC (ממיר אנלוגי-לדיגיטלי) של בקרים משובצים או עבור בקרים אנלוגיים המשמשים ביישומי PFC ללא-גשר.
שימוש במודולי GMRCSN000 או GMRCSP000 מפשט את יישום חישת הזרם, חוסך שטח יקר ערך בלוח, ומבטיח מדידות זרם מבודדות ומדויקות. למידע נוסף אודות מודולים אלה והמק"טים הישימים שלהם, פנו לתמיכה הטכנית של Ganmar Technologies עבור סיוע מפורט והנחיות אינטגרציה.
סיכום
מאמר זה מפרט גישת תכנון מקיפה לאתחול מערכת וממתח תוך שימוש במודולי GMR10Dx ו-GMR04B00x בשילוב עם מתגי GAN למתח-גבוה והספק-גבוה. ההתמקדות היא במתגי GaN של Infineon, המשמשים לרוב ביישומים כמו מנועים תלת-פאזיים, אינוורטרים תלת-פאזיים, ומטעני EV Level 3.
התכן מציע מספר יתרונות על פני גישות של הדור הקודם, כולל אמינות, קומפקטיות ונצילות משופרות. מודולי ה-GMR10Dx ו-GMR04B00x מספקים פתרון חסון וורסאטילי עבור אתחול המערכת והממתח, עם היצע של חיבורים ישירים לשערים של מתגים אלה.
בנוסף, המאמר מציג את מודולי ה-GMRCSN000 ו-GMRCSP000, המציעים פתרון חישת זרם קומפקטי, לא-מפזר, עם יכולות יציאה גמישות. מודולים אלה מפשטים את יישום חישת הזרם ומספקים מדידות זרם מבודדות ומדויקות.
על ידי מינוף גישות התכן והפתרונות המוצגים במאמר זה, המתכננים יכולים לשפר משמעותית את הביצועים והאמינות של המערכות שלהם הודות לשימוש במתגי GaN. בנוסף, הם יכולים להפיק תועלת מהמומחיות והתמיכה המסופקות על ידי Ganmar Technologies.
מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת DigiKey או את המדיניות הרשמית של חברת DigiKey.