Cómo utilizar dispositivos de potencia GaN para obtener inversores de motor de gama media de calidad superior

El impulso a un uso más eficiente de las fuentes de energía, unas normativas más estrictas y las ventajas técnicas de un funcionamiento más frío respaldan las recientes iniciativas para reducir la cantidad de energía consumida por los motores eléctricos. Aunque las tecnologías de conmutación como los MOSFET de silicio están muy extendidas, a menudo no pueden cumplir los objetivos de rendimiento y eficiencia más exigentes de las aplicaciones de inversores críticos.

En cambio, los diseñadores pueden cumplir estos objetivos utilizando nitruro de galio (GaN), una tecnología de dispositivos FET de banda prohibida ancha (WBG) que ha mejorado y avanzado en términos de costo, rendimiento, fiabilidad y facilidad de uso. Los dispositivos GaN se han generalizado y se han convertido en la opción preferida para inversores de potencia media.

Este artículo examina cómo la última generación de FET basados en GaN de Efficient Power Conversion Corporation (EPC) permite obtener inversores de motor de alto rendimiento. Se presentan placas de evaluación para ayudar a los diseñadores a familiarizarse con las características de los dispositivos GaN y acelerar los diseños.

¿Qué es un inversor?

La función de un inversor es crear y regular la forma de onda de potencia que acciona un motor, que suele ser de tipo CC sin escobillas (BLDC). Controla la velocidad y el par de torsión del motor para un arranque y parada suaves, la marcha atrás y la velocidad de aceleración, entre otros requisitos. También debe garantizar que se alcancen y mantengan las prestaciones deseadas del motor a pesar de los cambios de carga.

Tenga en cuenta que un inversor de motor con salida de frecuencia variable no debe confundirse con un inversor de línea de CA. Este último toma CC de una fuente como la batería de un coche para proporcionar una forma de onda de CA de frecuencia fija de 120/240 voltios, que se aproxima a una onda sinusoidal y puede utilizarse para alimentar dispositivos operados por línea.

¿Por qué GaN?

Los dispositivos de GaN presentan atributos atractivos en comparación con los de silicio, como una mayor velocidad de conmutación, una menor resistencia de drenaje-fuente (R_DS(ON)) y un mejor rendimiento térmico. Un R_DS(ON ) más bajo permite utilizarlos en accionamientos de motor más pequeños y ligeros y reduce las pérdidas de potencia, lo que ahorra energía y costes en aplicaciones como bicicletas electrónicas y drones. La reducción de las pérdidas en los interruptores da lugar a motores más eficientes que pueden ampliar la autonomía de los vehículos eléctricos ligeros. Las velocidades de conmutación más rápidas permiten una respuesta del motor de baja latencia, esencial para aplicaciones que requieren un control preciso del motor, como la robótica. El transistor de efecto de campo (FET) de GaN también puede utilizarse para desarrollar motores de carretillas elevadoras más potentes y eficientes. El transistor de efecto de campo (FET) de GaN permite manejar corrientes más elevadas en motores más grandes y potentes.

Para las aplicaciones finales, las ventajas fundamentales son la reducción del tamaño y el peso, una mayor densidad de potencia y eficiencia, y un mejor rendimiento térmico.

Primeros pasos con GaN

El diseño de cualquier dispositivo de conmutación de potencia, especialmente para corrientes y voltajes medios, requiere prestar atención a los detalles más pequeños y a las características únicas del dispositivo. Los dispositivos de GaN tienen dos opciones de estructura interna: modo de mínima (d-GaN) y modo de mínima (e-GaN). Un interruptor d-GaN está normalmente "encendido" y requiere una alimentación negativa; su diseño en circuitos es más complejo. En cambio, los interruptores e-GaN son MOSFET normalmente "apagados", lo que da lugar a una arquitectura de circuito más sencilla.

Los dispositivos GaN son intrínsecamente bidireccionales y comenzarán a conducir una vez que la tensión inversa a través de ellos supere la tensión umbral de puerta. Además, como no son capaces de funcionar en modo avalancha por diseño, es fundamental que tengan un voltaje nominal suficiente. Un valor nominal de 600 voltios suele ser adecuado para tensiones de bus de hasta 480 voltios para topologías de conversión de CC en reductor, elevador y puente.

Aunque los interruptores de GaN son sencillos en su funcionalidad básica de encendido/apagado, son dispositivos de potencia, por lo que los diseñadores deben tener muy en cuenta los requisitos de accionamiento de encendido y apagado, los tiempos de conmutación, la disposición, el impacto de las parásitas, el control de los flujos de corriente y las caídas de resistencia a la corriente (IR) en la placa del circuito.

Para muchos diseñadores, aprovechar los kits de evaluación es la forma más eficaz de entender qué pueden hacer los dispositivos GaN y cómo utilizarlos. Estos kits utilizan dispositivos GaN individuales y múltiples en diferentes configuraciones y niveles de potencia. También incluyen los componentes pasivos asociados, como condensadores, inductores, resistencias, diodos, sensores de temperatura, dispositivos de protección y conectores.

Empezar con dispositivos de menor potencia

El EPC2065 es un excelente ejemplo de transistor de efecto de campo (FET) de GaN de baja potencia. Tiene un voltaje de drenaje a fuente (V_DS) de 80 voltios, una corriente de drenaje (I_D) de 60 amperios (A) y un R_DS(ON ) de 3.6 miliohmios (mΩ). Se suministra únicamente en forma de Molde pasivado con barras de soldadura y mide 3.5 × 1.95 milímetros (mm) (Figura 1).

Figura 1: El FET de GaN EPC2065 de 80 voltios y 60 A es un dispositivo de efecto de campo pasivado con barras de soldadura integradas. (Fuente de la imagen: EPC)

Al igual que otros dispositivos de GaN, la estructura lateral del dispositivo EPC2065 y el diodo de portadora mayoritaria proporcionan una carga total de puerta (Q_G) excepcionalmente baja y una carga de recuperación inversa (Q_RR) nula. Estos atributos lo convierten en una buena opción para situaciones en las que las frecuencias de conmutación muy altas (hasta varios cientos de Kilohertz) y el bajo tiempo de conexión son beneficiosos, así como para aquellas situaciones en las que predominan las pérdidas en el estado de conexión.

Este dispositivo está respaldado por dos kits de evaluación similares: el EPC9167KIT para un funcionamiento de 20 A/500 Vatios, y el EPC9167HCKIT de mayor potencia para un funcionamiento de 20 A/1 kilovatio (kW) (Figura 2). Ambas son placas inversoras trifásicas para motores BLDC.

Figura 2: Se muestra la parte inferior (izquierda) y superior (derecha) de la placa EPC9167. (Fuente de la imagen: EPC)

La configuración básica del EPC9167KIT utiliza un solo FET para cada posición del interruptor y puede suministrar hasta 15 A_RMS (valor nominal) y 20 A_RMS (valor de pico) de corriente por fase. En cambio, la configuración EPC9167HC de mayor corriente utiliza dos FET en paralelo por posición de interruptor y puede suministrar corrientes máximas de hasta 20 A_RMS/30 A_RMS (nominal/pico) de corriente de salida, lo que demuestra la relativa facilidad con la que los FET de GaN pueden configurarse en paralelo para una mayor corriente de salida. En la Figura 3 se muestra un diagrama de bloques de la placa EPC9167 base.

Figura 3: Se muestra un diagrama de bloques de la placa EPC9167 base en una aplicación de accionamiento BLDC; el EPC9167HC de mayor potencia tiene dos dispositivos EPC2065 en paralelo para cada interruptor, mientras que el EPC9167 de menor potencia sólo tiene un FET por interruptor. (Fuente de la imagen: EPC)

El EPC9167KIT contiene todos los circuitos críticos para dar soporte a un inversor de motor completo, incluidos controladores de compuerta, raíles de alimentación auxiliares regulados para fuentes de alimentación domésticas, detección de tensión, detección de temperatura, detección de corriente y funciones de protección.

El EPC9167 se acopla a diversos controladores compatibles y es compatible con varios fabricantes. Puede configurarse rápidamente como inversor de motor o convertidor CC-CC aprovechando los recursos existentes para un rápido desarrollo. En el primer caso, ofrece conversión CC-CC multifásica compatible con frecuencias de conmutación de modulación por ancho de pulsos (PWM) de hasta 250 kilohertzios (kHz) en aplicaciones de accionamiento de motores; para aplicaciones CC-CC sin motor, funciona hasta 500 kHz.

Pasar a una potencia superior

En el otro extremo de la gama de potencia está el EPC2302, un FET de GaN con una capacidad de 100 voltios/101 A y solo 1.8 mΩ R_DS(ON). Es idóneo para aplicaciones CC-CC de alta frecuencia de 40 a 60 voltios y accionamientos de motores BLDC de 48 voltios. A diferencia del envase de molde pasivado con barras de soldadura utilizado para el EPC2065, este FET de GaN está alojado en un paquete QFN de baja inductancia de 3 × 5 mm con la parte superior expuesta para una gestión térmica superior.

La resistencia térmica a la parte superior de la carcasa es baja, de solo 0.2 °C por vatio, lo que da como resultado un excelente comportamiento térmico y facilita los retos de refrigeración. Su parte superior expuesta mejora la gestión térmica del lado superior, mientras que los flancos humectables lateralmente garantizan que toda la superficie de la almohadilla lateral se humedezca con soldadura durante el proceso de soldadura por reflujo. Esto protege el cobre y permite soldar en esta zona del flanco externo para facilitar la inspección óptica.

El EPC2302 ocupa menos de la mitad que el mejor MOSFET de silicio de su clase con valores de R_DS(on ) y tensión similares, mientras que su Q_G y Q_GD son significativamente menores y su Q_RR es cero. De este modo se reducen las pérdidas de conmutación y las pérdidas del controlador de puerta. El EPC2302 funciona con un breve tiempo muerto de menos de 10 nanosegundos (ns) para lograr una mayor eficiencia, mientras que su Q_RR de valor cero mejora la fiabilidad y minimiza las interferencias electromagnéticas (EMI).

Para ejercitar el EPC2302, la tarjeta de evaluación de gestión de potencia del controlador/driver de motor EPC9186KIT admite motores de hasta 5 kW y puede suministrar hasta 150_ARMS y 212 A_PEAK de corriente de salida máxima (Figura 4).

Figura 4: Se muestra la parte superior (izquierda) e inferior (derecha) de la placa de evaluación EPC9186KIT de 5 kW para el EPC2302. (Fuente de la imagen: EPC)

Para lograr este mayor valor nominal de corriente, el EPC9186KIT utiliza cuatro FET de GaN en paralelo por posición de conmutación, lo que demuestra la facilidad de uso de este enfoque para alcanzar niveles de corriente más elevados. La tarjeta admite frecuencias de conmutación PWM de hasta 100 kHz en aplicaciones de accionamiento de motores, y contiene todas las funciones críticas para dar soporte a un variador completo de accionamiento de motores, incluidos controladores de puerta, fuentes de alimentación auxiliares reguladas, detección de tensión y temperatura, detección precisa de corriente y funciones de protección.

Conclusión:

Los inversores de motor son el vínculo fundamental entre una fuente de alimentación básica y un motor. Diseñar inversores más pequeños, más eficientes y de mayor rendimiento es un objetivo cada vez más importante. Aunque los diseñadores pueden elegir la tecnología de proceso para los dispositivos críticos de conmutación de potencia que utilizan los inversores de gama media, los dispositivos GaN, como los de EPC, son la opción preferida.