Cómo integrar etapas de potencia de GaN para sistemas eficientes de propulsión de motores BLDC alimentados por batería

Aplicaciones alimentadas por baterías como robots colaborativos (cobots), bicicletas eléctricas, drones industriales y herramientas eléctricas requieren motores eléctricos ligeros y potentes con un factor de forma reducido. Los motores CC sin escobillas (BLDC) son una buena opción, pero la electrónica de accionamiento del motor es bastante compleja y requiere muchas consideraciones de diseño. El diseñador debe regular estrictamente el par de torsión, la velocidad y la posición, garantizando al mismo tiempo una alta precisión con un mínimo de vibraciones, ruido y radiación electromagnética (EMR). Además, deben evitarse los disipadores térmicos voluminosos y los mazos de cables externos para ahorrar peso, espacio y costos.

Como ocurre a menudo, el reto para los diseñadores consiste en equilibrar los requisitos de diseño con las presiones de tiempo y presupuesto, evitando al mismo tiempo costosos errores de desarrollo. Una forma de hacerlo es aprovechar las tecnologías de semiconductores rápidos y de bajas pérdidas, como el nitruro de galio (GaN), para las etapas de potencia necesarias para accionar los motores BLDC.

Este artículo analiza las ventajas relativas de las etapas de potencia basadas en GaN y presenta un dispositivo de muestra de EPC, implementado en una topología de medio puente. Explica cómo utilizar los kits de desarrollo asociados para empezar rápidamente un proyecto. En el proceso, los diseñadores aprenderán a medir los parámetros de un motor BLDC y a utilizarlo en control de orientación de campo (FOC) sin sensores con un mínimo esfuerzo de programación utilizando la suite de desarrollo motorBench de Microchip Technology.

Las ventajas del GaN

Para controlar eficazmente un motor BLDC en aplicaciones de batería/pila, los desarrolladores necesitan una etapa de controlador eficiente y ligera con un factor de forma pequeño que pueda implementarse lo más cerca posible del actuador. Por ejemplo, en el interior del receptáculo del motor.

Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) son robustos y pueden conmutar altas potencias de hasta 100 megavatios (MW) a un máximo de 200 kilohercios (kHz), pero no son adecuados para dispositivos que tienen que gestionar la carga de baterías a voltajes de hasta 80 voltios. La alta resistencia de contacto, el diodo de giro libre y las pérdidas de conmutación, así como la cola de corriente durante la desconexión, se combinan para provocar distorsión de la señal, generación de calor excesivo y emisiones de señales falsas.

Los transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal (MOSFET) conmutan más rápido y tienen menores pérdidas de conmutación y óhmicas que los IGBT, pero su capacitancia de puerta requiere un potente controlador de compuerta para funcionar a altas frecuencias de conmutación. La capacidad de funcionar a altas frecuencias es importante, ya que permite a los diseñadores utilizar componentes electrónicos más pequeños para reducir el espacio necesario.

En cuanto a los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) de GaN, su elevada movilidad de portadores les permite crear y romper uniones semiconductoras con extrema rapidez y escasas pérdidas. Un controlador de GaN integrado, como el EPC23102ENGRT de EPC, presenta pérdidas de conmutación excepcionalmente bajas y altas frecuencias de conmutación, lo que permite diseños de dispositivos compactos en los espacios más reducidos. El chip monolítico contiene una interfaz lógica de entrada con cambiadores de nivel, carga de arranque y circuitos controladores de compuerta que controlan los FET de salida de GaN en una topología de medio puente (Figura 1). El encapsulado del chip está optimizado para una elevada disipación del calor y una baja inductancia parásita.

Figura 1: El EPC23102 contiene lógica de control, cambiadores de nivel, controladores de compuerta y FET de salida de GaN en una topología de medio puente (izquierda). El encapsulado del chip (derecha) está optimizado para una alta disipación del calor y una baja inductancia parásita. (Fuente de la imagen: EPC)

Menos calor residual y menor EMR

Los transistores de salida del EPC23102 tienen una resistencia en estado encendido de drenaje-fuente (RDS_(on)) típica de 5,2 Miliohmios (mΩ) (a 25°C). Manejan voltajes de hasta 100 voltios y corrientes de hasta un máximo de 35 amperios (A). Además, la estructura lateral del dispositivo de GaN y la ausencia de un diodo de cuerpo intrínseco proporcionan una carga de puerta (_QG) y una carga de recuperación inversa (_QRR) excepcionalmente bajas.

En comparación con un dispositivo MOSFET con un RDS_(on) similar, el controlador de GaN consigue unas pérdidas de conmutación hasta cinco veces menores. Esto permite que un inversor basado en GaN funcione a frecuencias de modulación por ancho de pulsos (PWM) relativamente altas -hasta 3 megahercios (MHz)- y con tiempos muertos más cortos (inferiores a 50 nanosegundos (ns)).

Las altas velocidades de conmutación (dV/dt) y el bajo coeficiente de temperatura de los semiconductores GaN en un diseño de encapsulado con inductancia parásita reducida minimizan la distorsión de la señal y, por tanto, las pérdidas por EMR y conmutación. Esto reduce la necesidad de estrategias de filtrado, mientras que los capacitores e inductores de bajo costo más pequeños ahorran espacio en la placa.

Junto con la baja resistencia de contacto R_DS(on), las demás ventajas del dispositivo GaN, como la alta conductividad térmica del sustrato de GaN y la gran superficie de contacto térmico del encapsulado del componente, se combinan para permitir que las etapas de potencia de GaN conmuten corrientes de hasta 15 amperios (A) sin disipador térmico (Figura 2).

Figura 2: Aumento de temperatura en función de la corriente de fase para una etapa de potencia de GaN con una temperatura ambiente de 25.5 °C y a distintas frecuencias de modulación por impulsos. (Fuente de la imagen: EPC)

El EPC23102 también cuenta con robustos convertidores de nivel de los canales del lado bajo al lado alto que están diseñados para funcionar en condiciones de conmutación dura y suave -incluso con grandes tensiones negativas en los terminales- y para evitar falsos disparos por transitorios dV/dt rápidos, incluidos los originados por fuentes externas o fases adyacentes. Los circuitos internos integran funciones lógicas y de carga y desactivación de la alimentación de arranque. Las funciones de protección evitan el encendido no deseado de los FET de salida cuando las tensiones de alimentación son demasiado bajas o incluso fallan.

Un juego de evaluación de inversores de motor listo para usar

La forma más sencilla y rápida de poner en marcha un motor BLDC trifásico con tecnología GaN es utilizar el kit de evaluación de inversores de motor EPC9176KIT de EPC. Consta de la placa del inversor de motor EPC9176 y de una placa controladora DSP. También se incluye un sencillo adaptador de clavija de conexión del controlador EPC9147E para el control a través de un controlador host específico del cliente. El conector de acoplamiento transporta las siguientes señales: 3 × PWM, 2 × encóder, 3 × U_phase, 3 × I_phase, U_DC, I_DC y 2 × LED de estado.

Como diseño de referencia, la placa del inversor de motor EPC9176 facilita el diseño interno de circuitos, mientras que la placa del controlador EPC9147A, cuando se utiliza con el entorno de desarrollo motorBench de Microchip Technology, permite a los usuarios ponerse en marcha rápidamente sin tener que dedicar tiempo a codificar o programar.

El inversor de motor BLDC trifásico integra tres controladores de medio puente de GaN EPC23102 para controlar motores de CA o CC y convertidores de CC/CC. Con un R_DS(on) de 6,6 mΩ como máximo, la etapa de potencia provoca pocas pérdidas de calor con corrientes de carga de hasta 28 A de pico (A_pk) o 20 A rms (A_RMS) en funcionamiento constante con tensiones de conmutación de hasta 100 voltios. Configurado para conversión CC/CC multifase, el EPC23102 admite frecuencias de modulación por ancho de pulsos de hasta 500 kHz y hasta 250 kHz para aplicaciones de accionamiento de motores.

La placa del inversor de motor EPC9176 de 8.1 × 7.5 centímetros (cm) contiene toda la circuitería funcional crítica necesaria para soportar un inversor de motor completo, incluidos condensadores de bus CC, controladores de compuerta, tensiones auxiliares reguladas, tensión de fase, corriente de fase y medición de temperatura, junto con funciones de protección y filtros opcionales de armónicos o EMR para cada fase (Figura 3).

Figura 3: El inversor de motor EPC9176 dispone de condensadores de bus de CC, controladores de compuerta, un regulador de voltaje, detección de voltaje, funciones de protección de corriente y temperatura, y filtros EMR. (Fuente de la imagen: EPC)

El inversor trifásico GaN funciona con tensiones de entrada de 14 a 65 V_CC. Conmuta sin sobrecresta, lo que se traduce en un par de torsión suave y un ruido de funcionamiento mínimo. La placa está optimizada para una pendiente de conmutación de alta velocidad típica de GaN inferior a 10 voltios por ns (V/ns) y puede reducirse opcionalmente para hacer funcionar un convertidor de CC/CC. Además, pueden conectarse dos sensores de posición del rotor (sensores Hall) que funcionen con distintos niveles de voltaje.

Par de torsión sin vibraciones y bajo ruido de funcionamiento

Un ejemplo de implementación de un motor BLDC trifásico demuestra el efecto de la parametrización del tiempo muerto en el funcionamiento suave del motor y, por tanto, en la generación de ruido. El tiempo de bloqueo en la transición de conmutación del FET de lado alto y bajo de un semipuente basado en FET de GaN puede elegirse muy pequeño porque los HEMT de GaN reaccionan extremadamente rápido y no producen sobrecrestas parásitas, como ocurre con los MOSFET más lentos.

La figura 4 (izquierda) muestra un inversor de GaN que funciona con un tiempo muerto típico para MOSFET de 500 ns a una frecuencia de modulación por ancho de pulsos de 40 kHz. Lo que debería ser una corriente de fase sinusoidal suave muestra una distorsión extremadamente alta, lo que se traduce en elevadas ondulaciones de par y el ruido correspondiente. En la Figura 4 (derecha), el tiempo muerto se redujo a 50 ns, estableciendo una corriente de fase sinusoidal para un motor de funcionamiento suave con muy poco ruido.

Figura 4: Un tiempo muerto de 500 ns a una frecuencia PWM de 40 kHz (izquierda), típica de los MOSFET, provoca una elevada distorsión en la corriente de fase que se traduce en elevadas ondulaciones de par y altos niveles de ruido. Con un tiempo muerto de 50 ns (derecha), se establece una corriente de fase sinusoidal para que el motor gire suavemente con poco ruido. (Fuente de la imagen: EPC)

Una menor ondulación de la corriente de fase también implica menores pérdidas de magnetización en las bobinas del estator, mientras que una menor ondulación de la tensión de fase permite una mayor resolución, así como un control más preciso del par y la velocidad, especialmente en motores con baja inductancia utilizados en diseños más pequeños.

Para aplicaciones de accionamiento de motores que requieren más potencia, hay disponibles dos placas inversoras de GaN: la EPC9167HCKIT (1 kilovatios (kW)) y la EPC9167KIT (500 vatios). Ambos utilizan el FET de GaN EPC2065, que tiene un R_DS(on ) máximo de 3.6 mΩ y un voltaje máximo del dispositivo de 80 voltios. Mientras que la placa EPC9167 utiliza un solo FET para cada posición de conmutación, la EPC9167HC tiene dos FET que trabajan en paralelo, proporcionando una corriente de salida máxima de 42A_pk (30A_RMS). El FET de GaN EPC2065 admite frecuencias de conmutación PWM de hasta 250 kHz en aplicaciones de control de motores y un máximo de 500 kHz en convertidores de CC/CC.

La placa del inversor del EPC9173KIT proporciona una potencia aún mayor, de hasta 1.5 kW. La placa forma las ramas de medio puente de dos CI controladores de compuerta de GaN EPC23101ENGRT individuales que sólo tienen un FET de potencia de lado alto integrado. Esta placa puede ampliarse como convertidor reductor, elevador, de medio puente, de puente completo o LLC. Suministra corrientes de salida de hasta 50 A_pk (35 A_RMS) y funciona a frecuencias de modulación por ancho de pulsos de hasta 250 kHz, con la refrigeración adecuada.

Pon en marcha la etapa de controlador en unos minutos

La forma más rápida de evaluar la placa del inversor de GaN EPC9176 -sin tener que codificar- es utilizar la placa de interfaz del controlador EPC9147A. Un módulo de conexión (PIM), el MA330031-2, contiene el Procesador de señal digital (DSP) de 16 bits dsPIC33EP256MC506-I-PT de Microchip Technology (Figura 5).

Figura 5: La tarjeta de interfaz de controlador universal EPC9147A puede alojar varios módulos de conexión, como el MA330031-2 PIM, basado en el procesador de señal digital (DSP) de 16 bits dsPIC33EP256. (Fuente de la imagen: EPC/Microchip Technology)

Para facilitar el funcionamiento de la interfaz del controlador DSP, los diseñadores pueden utilizar el paquete de desarrollo de motorBench, al que deben añadir:

1. MPLAB X IDE_V5.45 y la actualización recomendada
2. Plugin del configurador de código (compilación específica DSP)
3. motorBench plugin 2.35 (ejemplos de motores)

Para esta discusión, el ejemplo utiliza la placa del inversor de motor EPC9146 GaN, por lo que:

4. Comience con el proyecto MCLV-2 o EPC para el EPC914xKIT denominado "sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X".

El usuario puede simplemente seleccionar el archivo hexadecimal de muestra para la placa del inversor de motor EPC9146 GaN y flashearlo en el DSP dsPIC33EP256MC506 utilizando un adaptador de programación, como el PG164100 de Microchip Technology para microcontroladores de 16 bits. El motor BLDC conectado (Teknic_M-3411P-LN-08D) se puede controlar manualmente a través de los mandos y funciona en modo FOC sin sensores.

Si el motor no funciona satisfactoriamente o necesita ser configurado para un estado de funcionamiento diferente, motorBench también proporciona un archivo de ejemplo configurable que debe ser compilado antes del flasheo. Un parámetro elemental, pero importante para los controladores de motor GaN, como se ha comentado anteriormente, es un tiempo muerto de 50 ns o inferior, que debe comprobarse absolutamente antes de compilar el archivo hexadecimal.

Parámetros personalizados para un motor BLDC

Para configurar motores BLDC a medida para el funcionamiento FOC sin sensores mediante el IDE de motorBench, los usuarios pueden medir los parámetros específicos de sus motores e introducir los valores correspondientes en un archivo de configuración. El motor MOT-I-81542-A de ISL Products International, por ejemplo, puede servir aquí como motor de prueba. TI consume unos 361 vatios de potencia funcionando a 24 voltios y a 6100 revoluciones por minuto (rpm).

Primero hay que determinar estos cuatro parámetros del motor:

• Resistencia óhmica: Se mide entre los bornes de la bobina del estátor con un multímetro.
• Inductancia: Medida entre los bornes de la bobina del estátor con un multímetro.
• Pares de polos: Para determinar los pares de polos, el diseñador debe cortocircuitar dos fases, dejar la tercera abierta y, a continuación, contar a mano el número de enclavamientos en una revolución del eje y dividir el resultado por dos.
• Fuerza electromotriz de retroceso (BEMF): La BEMF se mide entre los terminales de la bobina del estator utilizando un osciloscopio. Para ello, el diseñador debe:
  • Sujete la sonda a dos terminales de fase, dejando el tercero abierto
  • Gire el eje del motor con la mano y registre la respuesta del voltaje
  • Mida la _App de tensión pico a pico y el periodo _Thalf de la semionda sinusoidal más grande (figura 6).

Figura 6: El BEMF se determina midiendo la _App de tensión pico a picoy el periodo _Thalf de la mayor semionda sinusoidal. (Fuente de la imagen: EPC)

En referencia al ejemplo de proyecto anterior, Microchip determinó los siguientes parámetros para el motor Teknic M-3411P-LN-08D (8,4 A_RMS, ocho polos, par de torsión = 1 Newton-metro (Nm) y una potencia de 244 v atios):

• A_pp = 15.836 V_pp
• T_half = 13.92 ms
• Pares de polos: pp = 4
• Microchip calculó entonces la constante BEMF (para 1000 rpm = 1 k_rpm), utilizando la Ecuación 1:

Ecuación 1

para este motor de ejemplo

(para motorBench se ha utilizado un valor de 10.2)

• R_L-L = 800 mΩ de resistencia de línea a línea, menos 100 mΩ debidos a los terminales de los medidores LCR.
• L_d = L_q = 1 mH utilizado en este ejemplo, a pesar de medir 932 microhenrios (µH)

Los parámetros determinados se introducen en el submenú Configurar/Motor PMSM de motorBench. Para ello, los diseñadores pueden utilizar simplemente el archivo de configuración XML de un tipo de motor similar. Como alternativa, los parámetros pueden introducirse en un archivo de configuración recién creado (vacío) que puede importarse mediante el botón "Importar motor".

Conclusión:

Los CI de GaN para controladores de motor logran un rendimiento de alta eficiencia en accionamientos de motores BLDC alimentados por batería con un factor de forma pequeño y un peso reducido. Integrados en el receptáculo del motor, están bien protegidos, simplifican el diseño y la instalación del dispositivo y reducen el mantenimiento.

Con la ayuda de circuitos de referencia, controladores DSP basados en modelos preprogramados y un entorno de desarrollo de motores, los diseñadores y programadores de aplicaciones de motores BLDC pueden acortar el tiempo de diseño de los circuitos y centrarse más en el desarrollo de las aplicaciones.