מיטוב בקרי כוח בבקרת מנוע תעשייתית עם מודולי GMR10Dx עבור פתרונות ממתח מרובי-פאזות
2024-11-14
מאמר זה עוסק באתגרי התכנון ובשיקולי המפתח הכרוכים בפיתוח בקר כוח מרובה פאזות אמין ומאובטח. הוא ממנף את מודול ממיר ה-DC/DC המבודד GMR10Dx עם היציאות הצפות, מזווג עם מודולי הספק משולבים במידה גבוהה של דוחף שער מיתוג פס-פער-אנרגיה רחב (wide-bandgap) כפול מבית Ganmar Technologies. התכנון והבנייה של מודולים אלה ממוטבים כדי לעמוד בדרישות מערכת מבחינת אמינות, בטיחות, EMI וניהול תרמי.
מובאת דוגמה להמחשת המערכת, שמציגה כניסת AC תלת-פאזית המפעילה דרגת תיקון גורם הספק (PFC), ולאחריה עומס כבד מבוקר אפנון רוחב פולס (PWM) כגון מנוע בדרגה תעשייתית. התכן ממוקד במיוחד בדחיפת מתגי GAN מתח-גבוה מבית Infineon (לשעבר GaN Systems), תוך מתן פתרון מעגל פרקטי. יש התייחסות למגבלות בשיטות מסורתיות לדחיפת מתגי Totem-Pole חצי-גשר (HB), ונבחנים פתרונות חלופיים לשליטה במתגים העליונים והתחתונים. מוצגים תכני מעגל פרקטיים כדי להבטיח פעולה אמינה ומאובטחת תוך הקטנת דרישות מקום. נוסף לכך, רשימה זו מכסה חישת זרם ברוחב-פס גבוה עם הפסד נמוך 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 חסכוניים. אתגרים אלה מסובכים עוד יותר על ידי תקציבים מצומצמים ולוחות זמנים קצרים יותר לפיתוח. כדי להתמודד עם אתגרים אלה, מאמר זה מציג תת-מערכות סטנדרטיות ואבני בניין העוזרים לצוותי תכנון למנף את המומחיות והתאימות של ספקי תת-מערכות.
מאמר זה מציע פתרון אופטימלי לאתגרי תכנון אלה על ידי שימוש במודולי ממיר כוח וממשק של Ganmar Technologies. המודולים המסופקים מאפשרים פיתוח יעיל של מערכת דחיפת שערים מרובת-פאזות, בעוד גורם הצורה הסטנדרטי שלהם משמר נדל"ן יקר ערך בלוח הראשי.
תכנון בקר כוח ממתח (Bias) עבור מערכת תלת פאזית כללית הספק-גבוה, מתח-גבוה, תוך שימוש ב-GMR10Dx
סעיף זה מתאר את שיקולי התכנון ליצירת בקר כוח ממתח (Bias) במערכת הספק-גבוה, מתח-גבוה, תוך שימוש במודולי ממיר DC/DC GMR10Dx, יחד עם ממתח דוחף השער הצף המסופק על ידי מודולי ה-GMR04B00x. כמתואר באיור 1a, המערכת עשויה לכלול עומס כבד מבוקר-PWM, כגון מנוע תעשייתי, שמשלב מתגים מרובים ודורש מספר מתחי ממתח עבור בלוקים פונקציונליים שונים. להלן הנחות עיקריות עבור התכנון:
- שיקולי EMI: המערכת דורשת גורם הספק קרוב ליחידה, שמחייב שימוש ב-PFC.
- לוגיקת אתחול (Start-up Logic): ה-PFC כולל מעבד, שדורש לוגיקת אתחול עצמאית עבור ממירי ממתח.
- פיזור הספק: הפחתת פיזור הספק באלקטרוניקה של הבקר היא קריטית עבור אמינות ולפישוט הדרישות של מערכת הקירור.
- שימוש במוצרים מוכנים-מהדף: התכנון ממקסם את השימוש ברכיבים זמינים מיידית .
איור 1a מספק תצורת מערכת כוללת לעיון חזותי בדיוני התכנון הבאים.
איור 1a: ממתח ואתחול של מערכת בקרת עומס גבוה תעשייתית. (מקור תמונה: Ganmar Technologies)
בהתייחסות לדיאגרמת הבלוקים באיור 1a, סעיף זה יתמקד בתכנון בקר כוח הממתח והאינטגרציה שלו עם המערכת הכוללת. ייבחנו אפשרויות תכנון עבור כל פונקציה, להוציא ה-PFC ובקר ה-PWM, בגלל הצורך במידע ספציפי יותר על דרישות ממשק מערכת כדי לטפל ביסודיות בפונקציות אלו. כתוצאה מכך, מאמר זה לא יכסה רכיבים אלה בפירוט. ההנחה היא שהמערכת משתמשת במתגי GAN מתח-גבוה, כגון ה-GS66516T מבית Infineon, למרות ששיקולים לטכנולוגיות מתג חלופיות, כמו SIC או מתגים דו-קוטביים, יידונו גם כן.
נוסף לכך, מאמר זה יציג את מודולי דוחף השער הצף המופעלים-עצמית, המשולבים ביותר מבית Ganmar Technologies, במיוחד את ה-GMR04B00x. ה-“x” במספר הדגם מציין אפשרויות שונות קיימות של שבב דוחף שער כפול. תתייחס לגיליון הנתונים GMR04B00x עבור מפרטים מפורטים ואפשרויות.
בקר כוח ממתח (Bias)
בקר כוח הממתח מתוכנן להציע הגנת נפילת-מתח עבור ערכי כניסת AC נמוכים (UVLO) ולספק כיבוי ללא נעילה אם כניסות ה-AC חורגות מהמגבלה המרבית שנקבעה (OVLO). כשכניסת ה-AC נמצאת בתחום ערכי העבודה הבטוחים, מודול ה-GRM10Dx מייצר יציאות DC מבודדות במתחים מקובלים, בדרך כלל 6 V ו-22 V. במערכות גדולות יותר, ייתכן שיידרשו צורות מתח נוספות. איור 1b מציג תצורה אופיינית לקבלת מתחים אלה. יציאת מתח נמוך של 5 V משמשת להזנת שבב דוחף השער הכפול במודול ה-GMR04B00x, במיוחד ה-Analog Devices ADUM7223. התייחס לגיליון הנתונים GMR04B00x עבור אפשרויות קיימות אחרות.
איור 1b: צורות אופייניות של מעגלי דבק הנגזרות מה-GMR10Dx. (מקור תמונה: Ganmar Technologies)
מודול ה-GMR04B00x מזין פנימית את צידו הצף כדי לספק שני ממתחי 12 V. ה-12 V צד-גבוה (12VH) מספק ממתח לדוחף היציאה VIA עבור מתג ההספק העליון, עם רמת דוחף השער ב-+5.6 V / -5.6 V ביחס לצומת ה-HBU. תצורות דומות של דוחפים מפוצלים מיושמים סביב מעגלי הפאזה V ו-W.
עבור המתג בצד הנמוך יותר, מיוצר פנימית 12VL נפרד על ידי מודול ה-GMR04B00x, שניתן להתייחס אליו עם צומת החזרת הכוח בצד הנמוך של כל קוטביות. יציאת ה-VIB של ה-ADUM7223, למשל, מפוצלת ל-+5.6 V / -5.6 V על ידי רשת הפיצול, תוך הבטחה שמתג ה-GAN התחתון פועל כראוי.
עבור מתגי SiC, גירסה שונה של מודול ה-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 צמתים תחתונים של כל קוטביות. התייחס לגיליון הנתונים GMR04B00x עבור אפשרויות קיימות.
חלק בקר כוח 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 ה-22 V יכולה לספק כוח לבקרים אנלוגיים, חלקים דיגיטליים ושבבי I/O על לוח המשתמש דרך מייצבי LDO. לצורך אספקת כוח גבוהה יותר, משתמשים יכולים לעיין בדף יישומים לקבלת הנחיות על הקבלת מודולי GMR10Dx.
בעיות אתחול
חיוני לספק מקור כוח יציב למעבדים דיגיטליים לפני שהם הופכים לפעילים. זה דורש את הפעלת בקר הממתח ממקור כוח בלתי תלוי של ה-PFC. מעגל המרת הכוח Ganmar צורך עד 18 ואט ממקור ה-AC, שמשפיע באופן מינימלי על יחסי הפאזה של כניסת ה-AC. מודול ה-GMR10DX תומך בתחום מתחי כניסה של 100 VDC עד 320 VDC, בכך מכסה את התחום האופייני עבור יישומים לא-מקוונים.
עבור מתחי מקור גבוהים יותר בהם נתקלים לעתים קרובות ביישומי הספק גבוה, היכן שמיישרי זרם יכולים ליצר עד 380 V, תתייעץ עם התמיכה הטכנית של Ganmar לאפשרויות אחרות בסדרת ה-GMR10Dx.
איור 2 מתאר מיישר גשר 6-דיודות אופייני המתאים לאתחול מערכת עם מודול זה. ברגע שכניסת ה-AC עולה על בערך 42 VRMS (60 Hz או 400 Hz) ומתקבלת יציאה של 200 VDC מהגשר עם קבל קטן של 10 µF, המודולים יתחילו ליצר יציאות עם השהיה מקסימלית של 70 ms תחת תנאי עומס נמוך. השהיה זו מקובלת 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. נוסף לכך, מופעל מאפיין הגנת נפילת מתח בתת-מתח אם המתח המיושר נופל מתחת ל-100 V.
איור 2: משיכת מקסימום של 18 W ישירות מכניסת ה-AC עבור אתחול וממתח. (מקור תמונה: Ganmar Technologies)
סינון כניסה
מודולי מיתוג אספקת כוח, כמו ה-GRM10Dx, מציגים מאפיין עכבה "שלילי" כלפי מקורות כוח הכניסה שלהם. מאפיין זה מחייב תכנון מסנן זהיר כדי להבטיח יציבות בממשק. בעוד תכנון מפורט של מסנני כניסה מכוסה בהרחבה בדוחות ופרסומים שונים, מאמר זה מספק סקירה קצרה של מאפייני הכניסה של מודול ה-GRM10Dx.
עבור עומס אופייני בעל הספק של 15 W האמור להידחף על ידי GaN, עם מתח מיישר של 200 V ונצילות 0.85, העכבה האקוויוולנטית מחושבת כ-|(200²/(15/η|, והתוצאה היא בערך 3.14 kΩ. עכבה זו היא גבוהה יחסית בהשוואה לעכבת המקור, מה שמקל על המסנן הדרוש לעקוף אותה ביעילות. עם זאת, מומלץ להתקין קבל שיכוך של 10 µF/400 V קרוב למודול ה-GRM10Dx. המודול עצמו כולל קבל של 0.47 µF כדי לטפל בשיאי זרם רגעיים מאירועי מיתוג פנימיים. דרוג ההתנגדות הטורית האקוויוולנטית (ESR) של הקבל החיצוני איננו קריטי, בתנאי שמסנן ה-PFC הראשי מציע שיכוך מספק.
Ganmar Technologies מספקת גם 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, תתייעץ עם התמיכה הטכנית של Ganmar.
החלת ממתח לדוחף
איורים 3 ו-4 מציגים את השרטוט והתמונה של מודול ה-GMR10D000, ממיר DC/DC מבודד המסוגל לספק 15 W עם יציאה כפולה. VOUT1 מספק בדרך כלל 6.5 V ב-3 W, בעוד VOUT2 מספק 22 V ב-2 W. שתי היציאות מגיעות למצב היציב שלהן תוך 10 ms. סעיף זה יסביר כיצד לחבר את הפונקציות המוצגות באיור 1 להתקני ה-GMR10Dx כדי להשיג את הפונקציונליות והביצועים הרצויים.
איור 3: חיבור תלת-פאזי. (מקור תמונה: Ganmar Technologies)
איור 4: מודול ה-GMR10D000. (מקור תמונה: Ganmar Technologies)
איור 5 מציג את חברורי המודול של מודולי GMR10Dx מרובים כדי למלא את הפונקציות של בקר כוח הממתח. בסעיף זה, מסופק הסבר מפורט על היישום של GMR04B008 בהקשר של בלוק ה-HS-U. שני המודולים האחרים ניתנים לשכפול בקלות על ידי חיבור החזרות ייחוס המתאימות לצמתים המתאימים שלהם.
איור 5: שרטוט פונקציונלי של הצד הדוחף של המודול (מוצג עם GMR10D005). (מקור תמונה: Ganmar Technologies)
איור 6 מציג את זמינות מתח ה-22 V ביחס לצומת ה-"ground" GNDS הנזכר בדרך כלל.
איור 6: שרטוט פנימי של GMR04B00x עם מתח שער צף ודוחפים ישירים. (מקור תמונה: Ganmar Technologies)
דרישות ממשק דרגת הספק
כמתואר באיור 6, באופן כללי מומלץ במערכות GaN להחיל מתח ממתח שלילי כדי לכבות התקני הספק GaN, במיוחד בטופולוגיות מיתוג קשות שבהן הזרמים עולים על 30 A. איור 7 מספק גרפים להמחשה (באדיבות ה-Infineon Webinar) המדגים גישה זו.
איור 7: השפעות של VEE על דינמיקת כיבוי. (מקור התמונה: Infineon)
מימוש ומאפייני הפעלה/כיבוי - יישום המודול כמפצלים עבור התקני Infineon מבטיח מתחי הפעלה וכיבוי יעילים תוך כדי מזעור הפסדים מחוץ למעבר. צורות הגל של הדוחף המפוצל ותכן ה-GS66xx של Infineon תורמים לנצילות מוגברת, לצד תכן שנאי ייחודי המפחית שיאי צלצול (Ringing) במהלך תהליך הכיבוי של ה-GS66xx.
הפעלה/כיבוי
עבור הפעלה שלמה דרוש דוחף שער של 5.6 V, עם צימוד השראות וקיבול פרזיטי מינימלי בין צמתי מיתוג ופסים מוליכים רגישים. ציות לקווים המנחים של ספק ה-GaN למיקום וניתוב נכון של מעגלים הוא הכרחי.
במהלך כיבוי, מתח השער-מקור (VGS) חייב להיות נמוך משמעותית ממתח הסף (VTH), עם רמת ייחוס של בערך 0 V במעגלים הנידונים כאן. מאמר זה מניח שימוש במעגל המשולב דוחף השער ADUM7223 מבית Analog Devices. חשוב לשים לב שהשבתת התת-מתח יציאה (UVLO) של הדוחף היא 5 V, מה שעושה אותו מתאים עבור דחיפת השער 5.6 V הדרושה על ידי התקני GaN. ניתן לחשב פיזור הספק על ידי הדוחף עבור GaN זה תוך שימוש בגיליון הנתונים של הדוחף:
בהנחת מיתוג של 250 kHz והערכים להלן, ניתן לחשב PD:
|
תצורת הדוחף נותנת תוצאת פיזור של 100 mW, שנמצאת בתחום היכולות של המודולים GMR10Dx ו-GMR04B00x. מודול ה-GMR10Dx מסוגל לספק משמעותית יותר הספק מהדרוש לדוחף, ובכך מבטיח ספק כוח חסון לצורך עבודתו.
הגדרות HV GaN עבור דוחף
מודול ה-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.
הפניה נכונה של החזרות הממתח היא חיונית למניעת התנהגות מיתוג לא יציבה ונזק אפשרי להתקני ה-GaN. על המשתמשים לציית להנחיות והמלצות המסופקות בדפי היישומים וגיליונות נתוני ה-GaN הספציפיים כדי להבטיח עבודה 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 תמונה: Ganmar Technologies)
מודול ה-GMR04B00x מספק את מתח הממתח הצף הדרוש עבור דוחף השער מתג GaN עליון, מבטל את הצורך במעגלים נוספים כמו קבל Bootstrap מרחף כדי ליצור את מתח הממתח הדרוש.
עם מודולי ה-GMR04B00x, מתחי דוחף השער הצפים ניתנים לחיבור ישירות לשערים של מתגי ה-GaN העליונים והתחתונים, לספק דוחף שער יציב של ±5.6 V. גישה זו מפשטת את התכנון על ידי מניעת הצורך שהבקר ימתג את ההתקן התחתון כדי ליצור את הממתח עבור דוחף השער העליון.
שימוש במודולי ה-GMR04B00x מאפשר את השגת מתחי דחיפת השער המבוקשים עבור מתגי ה-GaN העליונים והתחתונים ללא המורכבות והרכיבים הנוספים הדרושים בשיטות הפעלת ממתח חלופיות.
לסכמת Bootstrap מדור קודם, כפי שהיא מוצגת באיור 9, יש מספר חסרונות, כולל הצורך ברכיבים נוספים כמו דיודות וקבלים לא-קוטביים, שהערכים שלהם עשויים להזדקק להתאמה בהתבסס על הדרישות הספציפיות של GaN או התקנים אחרים. בעיות אתחול והיעדר ממתח נוקשה הן דאגות משמעותיות בגישה זו. נוסף לכך, סכמת ה-Bootstrap מדור קודם אינה תואמת עם צמתי HB דו-קוטביים.
איור 9: סכמת ממתח דוחף שער צף מדור קודם. (מקור תמונה: Ganmar Technologies)
מנגד, הפריסה הקומפקטית של מודולי ה-GMR10Dx ו-GMR04B00x, יחד עם ההרחבות הקשורות שלהם, מדגישה את יתרונות החיסכון במקום שלהם. זה הופך אותם לפתרון פרקטי עבור יישומים הדורשים החלת ממתח יעיל וייחוס נכון.
חישת זרם
איורים 10 ו-11 מציגים את השילוב של חישת זרם תוך שימוש בנגדי מצד (shunt resistors) 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 במסלול 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 רוחב-פס גבוה. מערך זה מבטיח חישת זרם מדויקת וניטור. 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 זרם ולנטר ביצועי מעגל או מערכת. זה שימושי במיוחד ביישומים הדורשים בקרת זרם מדויקת או הגנה, כמו מערכות בקרת מנוע, אלקטרוניקה הספקית או אנרגיה מתחדשת.
איור 10: חישת זרם מדורות קודמים בעזרת נגד מצד. (מקור תמונה: Ganmar Technologies)
איור 11: חישת זרם לא-מתפזר בעזרת GMRCS000. (מקור תמונה: 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 גבוה ללא צורך בנגדי מצד (Shunt) נוספים במסלול הזרם. זה מונע הפסדי הספק ומפשט את התכנון.
מודולי ה-GMRCSN000 ו-GMRCSP000 מגלים את הזרם הזורם דרך המעגל ומציעים שני קטבי יציאה: 0 עד Vsense+ ו-Vsense- עד 0. תחומי יציאה אלה מתאימים להתחברות 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 יישום חישת זרם, חוסך שטח יקר ערך בלוח, ומבטיח מדידות זרם מבודדות, מדויקות. למידע נוסף אודות מודולים אלה והמק"טים הישימים שלהם, תתקשר לתמיכה הטכנית של Ganmar Technologies לסיוע מפורט והנחיות אינטגרציה.
סיכום
מאמר זה מפרט גישת תכנון מקיפה לאתחול מערכת והחלת ממתח תוך שימוש במודולי GMR10Dx ו-GMR04B00x בשילוב עם מתגי GAN מתח-גבוה, הספק-גבוה. המיקוד הוא במתגי GaN מבית Infineon, שמשמשים לרוב ביישומים כמו מנועים תלת-פאזיים, מהפכים תלת-פאזיים, ומטעני EV רמה 3.
התכנון מציע מספר יתרונות על גישות מדור קודם, כולל אמינות, קומפקטיות ונצילות משופרות. מודולי ה-GMR10Dx ו-GMR04B00x מספקים פתרון איתן ורב-תכליתי לאתחול מערכת והחלת ממתח, תוך היצע של חיבורים ישירים לשערים של מתגים אלה.
נוסף לכך, המאמר מציג את מודולי ה-GMRCSN000 ו-GMRCSP000, שמציעים פתרון חישת זרם קומפקטי, לא-מפזר, עם יכולות יציאה גמישות. מודולים אלה מפשטים יישום חישת זרם ומספקים מדידות זרם מבודדות, מדויקות.
עבור לקוחות המעוניינים ביישום תכנים אלה באמצעות רכיבים של Ganmar Technologies, קיימים שרטוטים, מפרטי חומרים (BOMs) ופריסות (היכן שהן ישימותם) בפורמט Altium תואם-KiCad. לדיון נוסף, פניות בנושא תמחור וזמינות, תתקשר אל התמיכה הטכנית או צוות המכירות של Ganmar Technologies.
על ידי מינוף גישות התכנון והפתרונות המוצגים במאמר זה, מתכננים יכולים לשפר משמעותית את הביצועים והאמינות של המערכות שלהם על ידי שימוש במתגי GaN. נוסף לכך, 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.