Optimización de los controladores de potencia en el control de motores industriales con los módulos GMR10Dx para soluciones de polarización multifásica

Este artículo aborda los retos de diseño y las consideraciones clave para desarrollar un controlador de potencia multifásico fiable y seguro. Aprovecha el módulo convertidor CC/CC aislado GMR10Dx con salidas flotantes, junto con los módulos de alimentación de accionamiento de compuerta de conmutación de doble banda prohibida altamente integrados de Ganmar Technologies. El diseño y la construcción de estos módulos están optimizados para cumplir los requisitos del sistema en cuanto a fiabilidad, seguridad, EMI y gestión térmica.

Se presenta un ejemplo de sistema ilustrativo que muestra una entrada de CA trifásica que alimenta una etapa de corrección de factor de potencia (PFC), seguida de una carga pesada controlada por modulación por ancho de pulsos (PWM), como un motor industrial. El diseño se centra especialmente en el accionamiento de interruptores GaN de alto voltaje de Infineon (anteriormente GaN Systems), proporcionando una solución de circuito práctica. Se abordan las limitaciones de los métodos tradicionales para accionar interruptores de medio puente (HB) y se exploran soluciones alternativas para controlar tanto los interruptores superiores como los inferiores. Se presentan diseños de circuitos prácticos para garantizar un funcionamiento fiable y seguro, minimizando al mismo tiempo los requisitos de espacio. Además, esta nota cubre la detección de corriente de baja pérdida y gran ancho de banda para simplificar aún más el proceso de diseño.

El entorno de diseño actual presenta numerosos retos, como la necesidad de un hardware compacto, un menor consumo de energía para una refrigeración eficiente, una mayor fiabilidad con una gestión térmica optimizada y soluciones rentables. Esto se complica aún más con presupuestos ajustados y plazos de desarrollo más cortos. Para hacer frente a estos retos, este artículo presenta subsistemas estándar y bloques de construcción que ayudan a los equipos de diseño a aprovechar la experiencia y el cumplimiento de los proveedores de subsistemas.

Utilizando el convertidor de potencia y los módulos de interfaz de Ganmar Technologies, este artículo ofrece una solución óptima a estos retos de diseño. Los módulos suministrados permiten el desarrollo eficiente de un sistema de accionamiento de puerta multifase, mientras que su factor de forma estandarizado conserva un valioso espacio en la placa principal.

Diseño de un controlador de potencia de polarización para un sistema general trifásico de alta tensión y alta potencia utilizando el GMR10Dx.

En esta sección se describen las consideraciones de diseño para crear un controlador de potencia de polarización en un sistema de alta tensión y alta potencia utilizando módulos convertidores de CC/CC GMR10Dx, junto con la polarización de accionamiento de puerta flotante proporcionada por los módulos GMR04B00x. Como se muestra en la Figura 1a, el sistema puede incluir una carga pesada controlada por PWM, como un motor industrial, que incorpora múltiples interruptores y requiere varios voltajes de polarización para diferentes bloques funcionales. A continuación, se exponen los supuestos clave para el diseño:

• Consideraciones sobre EMI (interferencia electromagnética): El sistema requiere un factor de potencia cercano a la unidad, lo que exige el uso de un PFC.
• Lógica de arranque: El PFC incluye un procesador, que requiere una lógica de arranque independiente para los convertidores de polarización.
• Disipación de potencia: Reducir la disipación de potencia en la electrónica del controlador es fundamental para la fiabilidad y para simplificar los requisitos del sistema de refrigeración.
• Uso de productos estándar: El diseño maximiza el uso de componentes fácilmente disponibles.

La figura 1a muestra la configuración general del sistema como referencia visual para posteriores discusiones sobre el diseño.

Figura 1a: Polarización y puesta en marcha del sistema de control industrial de cargas elevadas. (Fuente de la imagen: Ganmar Technologies)

Haciendo referencia al diagrama de bloques de la Figura 1a, esta sección se centrará en el diseño del controlador de polarización de potencia y su integración con el sistema global. Se estudiarán las opciones de diseño para cada función, excluyendo el PFC y el controlador PWM, debido a la necesidad de información más específica sobre los requisitos de la interfaz del sistema para abordar a fondo estas funciones. Por consiguiente, este artículo no tratará en detalle esos componentes. Se supone que el sistema emplea interruptores GaN de alto voltaje, como el GS66516T de Infineon, aunque también se tratarán otras tecnologías de interruptores, como SiC o interruptores bipolares.

Además, este artículo mostrará los módulos controladores de compuerta flotante autoalimentados y altamente integrados de Ganmar Technologies, concretamente el GMR04B00x. La "x" en el número de modelo indica varias opciones de chip controlador de compuerta dual disponibles. Consulte la hoja de datos del GMR04B00x para obtener especificaciones detalladas y opciones.

Controlador de potencia de polarización

El controlador de polarización de alimentación está diseñado para ofrecer protección contra caídas de tensión para valores bajos de entrada de CA (UVLO) y proporcionar un apagado sin enclavamiento si las entradas de CA superan el límite máximo establecido (OVLO). Cuando la entrada de CA está dentro de los valores operativos seguros, el módulo GRM10Dx genera salidas de CC aisladas a tensiones comunes, normalmente 6 V y 22 V. En sistemas más grandes, pueden ser necesarias formas de voltaje adicionales. La figura 1b ilustra una configuración típica para obtener estos voltajes. Se utiliza una salida de baja potencia de 5 V para alimentar el chip controlador de compuerta doble del módulo GMR04B00x, concretamente el ADUM7223 de Analog Devices. Consulte la hoja de datos del GMR04B00x para conocer otras opciones disponibles.

Figura 1b: Formas típicas de adhesivo para circuitos derivados del GMR10Dx. (Fuente de la imagen: Ganmar Technologies)

El módulo GMR04B00x alimenta internamente su lado flotante para proporcionar dos polarizaciones de 12 V. El lado alto de 12 V (12VH) polariza el controlador de salida VIA para el interruptor de potencia superior, con el nivel de accionamiento de la puerta a +5.6 V/-5.6 V en relación con el nodo HBU. Se aplican configuraciones de accionamiento dividido similares en torno a los circuitos de fase V y W.

Para el interruptor de lado bajo, el módulo GMR04B00x genera internamente un 12VL independiente, que puede referenciarse con el nodo de retorno de potencia de lado bajo de cualquier polaridad. La salida VIB del ADUM7223, por ejemplo, se divide en +5.6 V/-5.6 V mediante la red divisora, lo que garantiza el correcto funcionamiento del interruptor GaN inferior.

Para los interruptores SiC, una versión diferente del módulo GMR04B00x proporciona 15 V, 18 V o 22 V, que pueden ajustarse en fábrica para adaptarse a diversos interruptores SiC de alta potencia. Las salidas del circuito de división proporcionan una polarización de ±flotación para accionar interruptores de carburo de silicio en los lados alto y bajo en relación con los nodos superiores HBU/V/W y, de forma similar, para los nodos inferiores de cualquier polaridad. Consulte la hoja de datos del GMR04B00x para conocer las opciones disponibles.

La sección del controlador de potencia de polarización, junto con los LDO ilustrados en la Figura 1b, alimenta los otros dos módulos de interfaz GRM04B00x conectados directamente a las compuertas de los nodos V y W. Además, la salida de 22 V puede alimentar controladores analógicos, secciones digitales y chips de E/S en la placa del usuario mediante LDO. Para necesidades de mayor potencia, los usuarios pueden consultar la Nota de aplicación para obtener orientación sobre la conexión en paralelo de los módulos GMR10Dx.

Problemas de puesta en marcha

Es crucial proporcionar una fuente de alimentación estable a los procesadores digitales antes de que entren en funcionamiento. Esto requiere el funcionamiento del controlador de polarización de una fuente de alimentación independiente de la PFC. Los circuitos del convertidor de potencia Ganmar consumen hasta 18 vatios de la fuente de CA, lo que tiene un impacto mínimo en las relaciones de fase de la entrada de CA. El módulo GMR10DX admite un rango de tensión de entrada de 100 V_CC a 320 V_CC, que cubre el rango típico para aplicaciones fuera de línea.

Para tensiones de fuente más elevadas que suelen encontrarse en aplicaciones de alta potencia, en las que los rectificadores pueden producir hasta 380 V, consulte al Soporte técnico de Ganmar para conocer otras opciones dentro de la serie GMR10Dx.

La figura 2 muestra un típico rectificador de puente de 6 diodos adecuado para la puesta en marcha del sistema con este módulo. Una vez que la entrada de CA supera aproximadamente los 42 V_RMS (60 ó 400 Hz), lo que da lugar a una salida de 200 V_CC del puente con un pequeño condensador de 10 µF, los módulos comenzarán a producir salidas con un retardo máximo de 70 ms en condiciones de carga baja. Este retraso es aceptable ya que ningún otro bloque del sistema está consumiendo energía durante el arranque.

Durante los eventos transitorios, si las entradas de CA hacen que la salida del rectificador de puente de 6 diodos supere el rango de funcionamiento seguro del módulo convertidor, el módulo se apagará hasta que el voltaje rectificado vuelva a un nivel seguro. Además, una función de protección contra caídas de tensión se activa si la tensión rectificada cae por debajo de 100 V.

Figura 2: Toma de un máximo de 18 W de la entrada de CA directamente para la puesta en marcha y la polarización. (Fuente de la imagen: Ganmar Technologies)

Filtrado de entrada

Los módulos de conmutación de potencia, como el GRM10Dx, presentan una característica de impedancia "negativa" hacia sus fuentes de alimentación de entrada. Esta característica exige un cuidadoso diseño del filtro para garantizar la estabilidad en la interfaz. Aunque el diseño detallado de los filtros de entrada se trata ampliamente en diversos informes y publicaciones, este artículo ofrece una breve descripción de las características de entrada del módulo GRM10Dx.

Para una carga típica de 15 W de potencia constante debida a la conducción de GaN, con una tensión del rectificador de 200 V y un rendimiento de 0.85, la impedancia equivalente se calcula como |200²/(15/η)|, lo que da como resultado aproximadamente 3.14 k?. Esta impedancia es relativamente alta en comparación con la impedancia de la fuente, lo que facilita que el filtro necesario la puentee eficazmente. No obstante, es aconsejable instalar un condensador de amortiguación de 10 µF/400 V cerca del módulo GRM10Dx. El propio módulo incluye un condensador de 0.47 µF para gestionar los picos de corriente instantáneos de los eventos de conmutación internos. El valor nominal de la resistencia equivalente en serie (ESR) del condensador externo no es crítico, siempre que el filtro PFC principal ofrezca una amortiguación suficiente.

Ganmar Technologies también proporciona un módulo rectificador de puente de entrada de CA heredado, completo con un fusible y un filtro EMI, para facilitar la integración con el módulo GRM10Dx. Esto simplifica el proceso de conexión a la fuente de CA. Para más detalles sobre la integración de este módulo, consulte con el Soporte técnico de Ganmar.

Polarización del controlador

Figura 3: Conexión trifásica. (Fuente de la imagen: Ganmar Technologies)

Figura 4: El módulo GMR10D000. (Fuente de la imagen: Ganmar Technologies)

Las figuras 3 y 4 muestran el esquema y una foto del módulo GMR10D000, un convertidor de CC/CC aislado capaz de suministrar 15 A con salidas dobles. V_OUT1 suele proporcionar 6.5 V a 3 W, mientras que V_OUT2 proporciona 22 V a 12 W. Ambas salidas alcanzan su estado estacionario en 10 ms. Esta sección explicará cómo conectar las funciones ilustradas en la Figura 1 a los dispositivos GMR10Dx para conseguir la funcionalidad y el rendimiento deseados.

Figura 5: Esquema funcional del lado de accionamiento del módulo (mostrado con GMR10D005). (Fuente de la imagen: Ganmar Technologies)

La figura 5 ilustra las interconexiones de varios módulos GMR10Dx para cumplir las funciones del controlador de potencia de polarización. En esta sección se ofrece una explicación detallada de la aplicación de GMR04B008 en el contexto del bloque HS-U. Los otros dos módulos pueden reproducirse fácilmente conectando las devoluciones de referencia que corresponden a sus respectivos nodos.

Figura 6: Esquema interno del GMR04B00x con potencia de puerta flotante y accionamientos directos. (Fuente de la imagen: Ganmar Technologies)

La figura 6 muestra la disponibilidad de 22 V de alimentación con respecto al nodo GNDS de "tierra" de referencia común.

Requisitos de la interfaz de la etapa de potencia

Como se muestra en la Figura 6, en general se recomienda en los sistemas de GaN aplicar una tensión de polarización negativa para apagar los dispositivos de potencia de GaN, especialmente en topologías de conmutación dura en las que las corrientes superan los 30 A. En la figura 7 se muestran gráficos ilustrativos (cortesía del Seminario web de Infineon) de este enfoque.

Figura 7: Efectos de V_EE en la dinámica de apagado. (Fuente de la imagen: Infineon)

Implementación y características de conexión/desconexión: la implementación de divisores en el módulo para dispositivos Infineon garantiza tensiones de conexión y desconexión eficientes al tiempo que minimiza las pérdidas por desconexión. Las formas de onda de accionamiento divididas y el diseño GS66xx de Infineon contribuyen a mejorar la eficiencia, junto con un diseño único del transformador que reduce los picos de zumbido durante el proceso de apagado del GS66xx.

Encendido/apagado

Para un encendido completo, se requiere un accionamiento de puerta de 5.6 V, con una inductancia parásita y un acoplamiento capacitivo mínimos entre los nodos de conmutación sensibles y las trazas. Es esencial seguir las directrices del proveedor de GaN para colocar y enrutar correctamente los circuitos.

Durante la desconexión, la tensión puerta-fuente (V_GS) debe ser significativamente inferior a la tensión umbral (V_TH), con un nivel de referencia de aproximadamente 0 V en los circuitos aquí analizados. Este artículo asume el uso del CI del controlador de compuerta ADUM7223 de Analog Devices. Es importante señalar que el bloqueo por subtensión (UVLO) de salida del controlador es de 5 V, lo que lo hace adecuado para el accionamiento de puerta de 5.6 V que requieren los dispositivos GaN. La disipación de potencia del controlador para este GaN puede calcularse utilizando la hoja de datos del controlador:

Suponiendo una conmutación de 250 kHz y los valores indicados a continuación, se puede calcular A P_D:

La configuración del controlador da como resultado una disipación de 100 mW, que está dentro de las capacidades de los módulos GMR10Dx y GMR04B00x. El módulo GMR10Dx puede proporcionar mucha más potencia de la necesaria para el controlador, lo que garantiza una fuente de alimentación resistente para su funcionamiento.

Configuración HV GaN para controlador

El módulo GMR10Dx suministra las tensiones de polarización necesarias para los controladores de GaN superior e inferior en una configuración de medio puente (HB). La figura 8 ilustra las conexiones de los controladores de GaN desde los divisores.

La correcta referenciación de las polarizaciones de retorno es crucial para evitar un comportamiento errático de los interruptores y posibles daños en los dispositivos GaN. Los usuarios deben seguir las directrices y recomendaciones proporcionadas en las hojas de datos y notas de aplicación específicas de GaN para garantizar un funcionamiento correcto y seguro. Encontrará más información en las instrucciones de uso de la ficha técnica del módulo integrado GMR04Bx Dual Direct Driver.

Figura 8: Disposición de tótem y configuración clásica de medio puente con conexiones directas de accionamiento dividido a los interruptores de GaN. (Fuente de la imagen: Ganmar Technologies)

El módulo GMR04B00x suministra la tensión de polarización flotante necesaria para el controlador de compuerta de conmutación de GaN superior, eliminando la necesidad de circuitos adicionales como un condensador de arranque volante para generar la tensión de polarización requerida.

Con los módulos GMR04B00x, las tensiones de accionamiento de puerta flotante pueden conectarse directamente a las puertas de los interruptores GaN superior e inferior, proporcionando un accionamiento de puerta estable de ±5.6 V. Este enfoque simplifica el diseño al eliminar la necesidad de que el controlador conmute el dispositivo inferior para generar la polarización para el controlador de compuerta superior.

El uso de los módulos GMR04B00x permite alcanzar los voltajes de accionamiento de puerta deseados para los interruptores GaN superior e inferior sin la complejidad y los componentes adicionales que requieren los métodos de polarización alternativos.

El esquema de arranque heredado que se muestra en la Figura 9 tiene varios inconvenientes, como la necesidad de componentes adicionales como diodos y condensadores no polares, cuyos valores podrían necesitar ajustes en función de los requisitos específicos del GaN u otros dispositivos. Los problemas de puesta en marcha y la falta de una polarización rígida son preocupaciones importantes con este enfoque. Además, el esquema de arranque heredado es incompatible con los nodos HB bipolares.

Figura 9: Esquema de polarización del controlador de compuerta flotante heredado. (Fuente de la imagen: Ganmar Technologies)

Por el contrario, la disposición compacta de los módulos GMR10Dx y GMR04B00x, junto con sus extensiones asociadas, pone de manifiesto sus ventajas en cuanto a ahorro de espacio. Esto las convierte en una solución práctica para aplicaciones que requieren una polarización eficaz y una referenciación adecuada.

Detección de corriente

Las figuras 10 y 11 ilustran la integración de la detección de corriente mediante resistencias/resistores de derivación con los módulos GMR10Dx y GMR04B00x. Las resistencias de derivación se utilizan habitualmente para medir y controlar la corriente que circula por un circuito. Colocando estas resistencias estratégicamente en la trayectoria de la corriente, puede medirse la caída de voltaje a través de ellas y utilizarse para calcular la corriente.

En el contexto de los módulos GMR, las resistencias de derivación de detección de corriente se conectan en serie con la carga o con un módulo de detección de corriente aislado de gran ancho de banda. Esta configuración garantiza una detección y un control precisos de la corriente. Los módulos GMR proporcionan las tensiones de polarización flotantes o referenciadas a tierra y la alimentación necesarias para los sistemas de detección de corriente, garantizando mediciones fiables y precisas.

Incorporar la detección de corriente al diseño del sistema permite a los usuarios recopilar información valiosa sobre los niveles de corriente y controlar el rendimiento del circuito o del sistema. Esto resulta especialmente útil en aplicaciones que requieren un control de intensidad o una protección precisos, como el control de motores, la electrónica de potencia o los sistemas de energías renovables.

Figura 10: Detección de corriente con resistencia de derivación heredada. (Fuente de la imagen: Ganmar Technologies)

Figura 11: Detección de corriente no disipativa GMRCS000. (Fuente de la imagen: Ganmar Technologies)

Ganmar Technologies ofrece los módulos GMRCSN000 y GMRCSP000 como soluciones de sensores de corriente compactos, aislados y no disipativos. Estos módulos proporcionan una detección de corriente aislada de gran ancho de banda sin necesidad de resistencias de derivación adicionales en la ruta de corriente. Esto elimina las pérdidas de potencia y simplifica el diseño.

Los módulos GMRCSN000 y GMRCSP000 detectan la corriente que circula por el circuito y ofrecen dos polaridades de salida: 0 a +Vsense y -Vsense a 0. Estos rangos de salida son adecuados para la interconexión directa con el ADC (Conversor de analógico a digital) de los controladores integrados o para los controladores analógicos utilizados en aplicaciones PFC sin puente.

La utilización de los módulos GMRCSN000 o GMRCSP000 simplifica la implementación de la detección de corriente, ahorra un valioso espacio en la placa y garantiza mediciones de corriente precisas y aisladas. Para obtener más información sobre estos módulos y sus correspondientes números de pieza, póngase en contacto con el servicio técnico de Ganmar Technologies para obtener asistencia detallada y orientación sobre la integración.

Conclusión:

En este artículo se ha detallado un enfoque de diseño integral para la puesta en marcha y polarización del sistema utilizando los módulos GMR10Dx y GMR04B00x junto con interruptores GaN de alta tensión y alta potencia. La atención se centra en los interruptores GaN de Infineon, que se utilizan habitualmente en aplicaciones como motores trifásicos, inversores trifásicos y cargadores de vehículos eléctricos de nivel 3.

El diseño ofrece varias ventajas con respecto a los métodos tradicionales, como una mayor fiabilidad, compacidad y eficiencia. Los módulos GMR10Dx y GMR04B00x proporcionan una solución versátil y resistente para la puesta en marcha y polarización del sistema, ofreciendo conexiones directas a las puertas de estos interruptores.

Además, el artículo presenta los módulos GMRCSN000 y GMRCSP000, que ofrecen una solución de detección de corriente compacta y no disipativa con capacidades de salida flexibles. Estos módulos simplifican la implementación de la detección de corriente y proporcionan mediciones de corriente precisas y aisladas.

Aprovechando los enfoques y soluciones de diseño presentados en este artículo, los diseñadores pueden mejorar significativamente el rendimiento y la fiabilidad de sus sistemas que utilizan interruptores GaN. Además, pueden beneficiarse de la experiencia y el apoyo proporcionados por Ganmar Technologies.