【产品】面向电池供电电机驱动应用的氮化镓基1.5kW逆变器,开关波形干净且易于管理dv/dt

2021-09-14 EPC
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氮化镓晶体管及集成电路可提高电机驱动应用的功率密度。利用最佳布局方法,从桥臂分流器或相内分流器均可获得无振铃输出开关波形和干净的电流重建信号。


许多应用诸如仓库自主机器人和精益生产线协作机器人,都要求每个电机的逆变器具有高功率能力且小巧轻便。这给设计师带来了挑战,因为要实现最优的功率、尺寸和重量会相互矛盾。 在电池供电应用中,每立方英寸的占用空间和每减少一克的重量,都可以延长两次电池充电之间的运行时间。宜普电源转换公司的氮化镓场效应晶体管可帮助设计人员提高和应对功率密度的挑战。

 

EPC推出的80 V、2.2 mΩ EPC2206 氮化镓场效应晶体管(GaN FET)是母线电压低于 70 VDC 应用的最佳选择(见图1)。 在电机驱动器中,PWM 频率通常保持在 50 kHz 以下、死区时间在 500 纳秒以上。 在这些情况下,开关 RDSON 是设计人员关注的主要参数。第二个要考虑的参数是热容量,特别是器件结-壳热阻 Rθjc。 传统基于 MOSFET 的解决方案中,每个开关包含一个或多个并联的器件且采用 5 mm x 6 mm 或 10 mm x 10 mm封装,如图 1 所示。

EPC9145 是一款电机驱动评估板,除用于控制电机的微控制器以外,包含EPC2206 及所需部件。其最大母线电压为70 VDC 、最大相电流为 25 ARMS。 电机控制器可选用市场上现有产品且可以使用 合适的EPC 公司配对板进行连接。图 2从左到右展示的,依次是控制连接器、用于将电压和电流反馈到外部微控制器的信号调理电路、陶瓷电容器组、带桥臂分流器和相电流采样电阻的三相逆变器,以及电机连接器。

dv/dt 开关波形 

EPC9145 PCB 已按照 EPC 推荐的最佳布局进行布局,见图 4,以确保最低的功率回路电感。主要标准是观察元件放置的对称性,并将整个高频路径置于顶层和第一层内。对于 EPC9145,布局稍微复杂一些,如图 3 所示,因为高频功率环路有桥臂分流器。

HF电容器由9个 0603封装的220 nF电容并联,以降低高频下的总电感。相同的原理适用于 1mΩ桥臂分流传感器,由4个0805 宽体 SMD  4 mΩ电阻器组成。如图 5 所示,V 相的开关节点在上升沿和下降沿都随时间摆动。

图 5 展示捕获的所有波形,因此最大 dv/dt 清晰可见。 没有发现电压过冲,dv/dt 显然在典型电机驱动应用范围内。细心的读者会发现死区时间设置为 50 ns(2.5 格)。

 

相电流感测与桥臂分流器的比较 

在用于电机驱动的逆变器中使用分立式 eGaN FET 或 GaN ePowerTM 级 IC 时,通常将相电流分流器与隔离(功能型或电流型)IC 一起使用,该 IC 可从开关阶段的共模中提取分流电阻器上的低压差分信号。这种方法的优点是让用户可以在整个 PWM 周期内连续获取相电流信号,但在开关事件期间除外,此时信号可能受相 dv/dt 的影响。 然而,与桥臂分流传感相比,相电流分流解决方案的较高成本和较低带宽可能不利于在电机驱动中采用 GaN 逆变器。

 

EPC9145 为用户提供了测试两种解决方案并决定哪种解决方案最适合其应用的机会。事实上,每个开关单元都有相内 1 mΩ 分流器和 1 mΩ 桥臂分流器。两个电路的放大增益(20 倍)、偏移和极性均相同,因此用户可以将一个或另一个传感方案连接到外部微控制器,而无需更改任何固件。 如图 5 所示,在下侧桥臂中插入分流器,不会对开关产生不利影响。

如图 6 所示为两种电流测量方法的比较,以及从连接在逆变器输出端的电流探头获得的信号。当相电压高时,桥臂分流器的信号为零,输出放大器的中心电压为 1.65 V; 当相电压较低时,流经相内分流器的电流也流经支路分流器,因此两个放大信号重叠。 传统的磁场定向控制算法测量相内低压脉冲中间的电流(图 6 中用两颗星表示),因此,只需改变 EPC9145 板上三个跳线的位置,就可以使用两个信号钟的任何一个。

 

精确电流检测的布局规范 

EPC9145 展示了将分流电阻器采集到的低压信号由功率板走线到放大器直至微控制器连接器的良好做法。 主要标准是在分流器上进行开尔文测量,使走线尽可能靠近,并通过布线层上下各层上的模拟接地平面进行屏蔽,如图 7 所示。另一个好的做法是将数字接地和电源接地与模拟地分开并将它们连接在远离功率回路路径的一个单点上。

不带散热器 

在带有磁滞制动器的电机工作台中测试 EPC9145 时,相内电流采样和桥臂电流采样均进行了分析。 17.5 ARMS、60 VDC 下的电流和电压波形如图 8 所示。

图 9 显示了没有散热器且没有空气对流的 EPC2206 时PCB温度分布。 此时母线电压60 VDC 、电流为10 ARMS,与环境温度的差异为 30℃。 有散热器和没有空气对流的测试正在进行中,结果将很快在电路板快速入门指南中报告。

100 kHz 操作的好处 

基于 eGaN 的逆变器可以轻松地在 100 kHz 下运行。 优点是当 PWM 频率增加时输入电压和电流纹波会减少,允许用户去除电解电容,而只需使用更小、更轻、更可靠的陶瓷电容。 EPC9145 的顶部表面装有陶瓷电容,底部装有电解电容。 顶层和底层都有空焊盘,因此用户可以焊接或取下电容并自行试验和判断,以找到优化重量、尺寸和热性能的最佳工作点。

 

结论 

许多电池供电的电机应用正在从传统的Si MOSFET、低PWM频率转向可以在更高PWM频率下运行的GaN逆变器,并在不牺牲整体系统效率的情况下带来减小尺寸和重量的优势。通过适当的栅极驱动和最佳布局,开关波形干净且易于管理dv/dt。


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