Utiliser des dispositifs de puissance GaN pour des onduleurs moteurs de milieu de gamme supérieurs

La pression en faveur d'une utilisation plus efficace des sources d'énergie, les mandats réglementaires plus stricts et les avantages techniques d'un fonctionnement plus froid soutiennent tous les initiatives récentes visant à réduire la quantité d'énergie consommée par les moteurs électriques. Bien que les technologies de commutation telles que les MOSFET silicium soient répandues, elles ne peuvent souvent pas répondre aux objectifs plus exigeants de performances et de rendement des applications d'onduleurs critiques.

Les concepteurs peuvent atteindre ces objectifs en utilisant le nitrure de gallium (GaN), une technologie FET à large bande interdite (WBG) qui s'est améliorée et a progressé en termes de coûts, de performances, de fiabilité et de facilité d'utilisation. Les dispositifs GaN se sont désormais imposés et sont devenus le choix privilégié pour les onduleurs à des niveaux de puissance moyens.

Cet article examine comment la dernière génération de FET basés GaN d'Efficient Power Conversion Corporation (EPC) permet des onduleurs moteurs hautes performances. Des cartes d'évaluation sont présentées pour aider les concepteurs à se familiariser avec les caractéristiques des dispositifs GaN et à accélérer les conceptions.

Qu'est-ce qu'un onduleur ?

Le rôle d'un onduleur est de générer et de réguler la forme d'onde de puissance qui entraîne un moteur, qui est souvent de type CC sans balais (BLDC). Il contrôle la vitesse et le couple du moteur pour un taux d'accélération, une marche arrière, un démarrage et un arrêt en douceur, entre autres exigences. Il doit également veiller à ce que les performances souhaitées du moteur soient atteintes et maintenues malgré les variations de charge.

Notez qu'un onduleur moteur à sortie à fréquence variable ne doit pas être confondu avec un onduleur de ligne CA. Ce dernier utilise le courant continu d'une source telle qu'une batterie de voiture pour fournir une forme d'onde de 120/240 volts (V) CA à fréquence fixe, proche d'une onde sinusoïdale et qui peut être utilisée pour alimenter les dispositifs fonctionnant sur le secteur.

Pourquoi envisager le GaN ?

Les dispositifs GaN présentent des attributs intéressants par rapport au silicium, notamment des vitesses de commutation supérieures, une résistance à l'état passant drain-source (R_DS(ON)) inférieure, et de meilleures performances thermiques. Une résistance R_DS(ON) plus faible permet leur utilisation dans des entraînements de moteurs plus petits et plus légers et réduit les pertes de puissance, pour des économies d'énergie et de coûts dans les applications telles que les vélos électriques et les drones. Des pertes de commutation plus faibles permettent d'obtenir des entraînements moteurs plus efficaces qui peuvent étendre l'autonomie des véhicules électriques (VE) légers. Des vitesses de commutation plus rapides permettent une réponse du moteur à faible latence, essentielle pour les applications exigeant un contrôle précis du moteur, comme la robotique. Les FET GaN peuvent également être utilisés pour développer des entraînements de moteur de chariot élévateur plus puissants et plus efficaces. La plus haute tenue en courant des FET GaN leur permet d'être utilisés pour des moteurs plus gros et plus puissants.

Pour les applications finales, les avantages ultimes sont une taille et un poids réduits, une densité de puissance et un rendement plus élevés et de meilleures performances thermiques.

Premiers pas avec le GaN

La conception avec tout dispositif de commutation de puissance, en particulier pour les courants et tensions moyens, requiert une attention particulière aux moindres détails et aux caractéristiques uniques du dispositif. Les dispositifs GaN ont deux options de structure interne : le mode de déplétion (d-GaN) et le mode d'enrichissement (e-GaN). Un commutateur d-GaN est normalement « activé » et nécessite une alimentation négative ; il est plus complexe à intégrer dans les circuits. En revanche, les commutateurs e-GaN sont des MOSFET normalement « désactivés », ce qui simplifie l'architecture des circuits.

Les dispositifs GaN sont par nature bidirectionnels et commencent à conduire dès que la tension inverse qui leur est appliquée dépasse la tension de seuil de grille. En outre, comme leur conception ne leur permet pas de fonctionner en mode avalanche, il est essentiel d'avoir une tension nominale suffisante. Une tension nominale de 600 V est généralement adéquate pour des tensions de bus jusqu'à 480 V pour les topologies de conversion de types pont CC, abaisseur et élévateur.

Bien que les commutateurs GaN soient simples dans leur fonctionnalité de commutation de puissance marche/arrêt de base, ce sont des dispositifs de puissance, de sorte que les concepteurs doivent accorder une attention particulière aux exigences de commande de marche et d'arrêt, au temps de commutation, à la configuration, à l'impact des parasites, au contrôle des flux de courant et aux chutes courant-résistance (IR) sur le circuit imprimé.

Pour de nombreux concepteurs, tirer parti des kits d'évaluation constitue le moyen le plus efficace de comprendre le rôle et l'utilisation des dispositifs GaN. Ces kits utilisent des dispositifs GaN individuels et multiples dans différentes configurations et niveaux de puissance. Ils incluent également les composants passifs associés, notamment les condensateurs, les inductances, les résistances, les diodes, les capteurs de température, les dispositifs de protection et les connecteurs.

Démarrer avec des dispositifs basse consommation

L'EPC2065 est un excellent exemple de FET GaN basse consommation. Il a une tension drain-source (V_DS) de 80 V, un courant de drain (I_D) de 60 ampères (A), et une résistance R_DS(ON) de 3,6 milliohms (mΩ). Il est uniquement fourni sous forme de matrice passivée avec baguettes de soudure et mesure 3,5 millimètres (mm) × 1,95 mm (Figure 1).

Figure 1 : Le FET GaN 80 V, 60 A EPC2065 est un dispositif à matrice passivée avec baguettes de soudure intégrées. (Source de l'image : EPC)

Comme avec les autres dispositifs GaN, la structure latérale du dispositif et la diode à porteurs majoritaires de l'EPC2065 fournissent une charge de grille (Q_G) totale exceptionnellement faible et une charge de recouvrement inverse (Q_RR) nulle. Grâce à ces attributs, ce produit est idéal pour les situations dans lesquelles des fréquences de commutation très élevées (jusqu'à plusieurs centaines de kilohertz) et un faible temps passant sont bénéfiques, ainsi que pour les situations dans lesquelles les pertes à l'état passant dominent.

Ce dispositif est pris en charge par deux kits d'évaluation similaires : l'EPC9167KIT pour un fonctionnement de 20 A/500 watts (W), et l'EPC9167HCKIT à plus haute puissance pour un fonctionnement de 20 A/1 kilowatt (kW) (Figure 2). Les deux kits sont des cartes d'onduleurs de moteurs BLDC triphasés.

Figure 2 : Face inférieure (à gauche) et face supérieure (à droite) de la carte EPC9167. (Source de l'image : EPC)

La configuration EPC9167KIT de base utilise un seul FET pour chaque position de commutateur et peut fournir jusqu'à 15 A_RMS (valeur nominale) et 20 A_RMS (valeur de crête) de courant par phase. En revanche, la configuration EPC9167HC à plus fort courant utilise deux FET en parallèle par position de commutateur et peut fournir des courants maximum jusqu'à 20 A_RMS/30 A_RMS (nominal/crête) de courant de sortie, démontrant la relative facilité avec laquelle les FET GaN peuvent être configurés en parallèle pour un courant de sortie plus élevé. Un schéma fonctionnel de la carte EPC9167 de base est illustré à la Figure 3.

Figure 3 : Schéma fonctionnel de la carte EPC9167 de base dans une application de commande BLDC. L'EPC9167HC à plus haute puissance a deux dispositifs EPC2065 en parallèle pour chaque commutateur, tandis que l'EPC9167 à plus basse puissance n'a qu'un seul FET par commutateur. (Source de l'image : EPC)

L'EPC9167KIT contient tous les circuits essentiels pour prendre en charge un onduleur moteur complet, y compris les circuits d'attaque de grille, les rails d'alimentation auxiliaires régulés pour les alimentations annexes, la détection de tension, la détection de température, la détection de courant et les fonctions de protection.

L'EPC9167 s'adapte à plusieurs contrôleurs compatibles et il est pris en charge par divers fabricants. Il peut être rapidement configuré comme onduleur moteur ou comme convertisseur CC/CC en exploitant les ressources existantes pour un développement rapide. Dans le premier rôle, il fournit une conversion CC/CC multiphase prenant en charge des fréquences de commutation PWM (modulation de largeur d'impulsion) jusqu'à 250 kilohertz (kHz) dans les applications d'entraînement moteur. Pour les applications CC/CC sans moteur, il fonctionne jusqu'à 500 kHz.

Passer à une puissance supérieure

À l'autre extrémité de la plage de tenue en puissance, on trouve l'EPC2302, un FET GaN présentant des caractéristiques de 100 V/101 A et une résistance R_DS(ON) de seulement 1,8 mΩ. Il convient bien aux applications CC/CC haute fréquence de 40 V à 60 V et aux entraînements de moteur BLDC de 48 V. Contrairement au boîtier à matrice passivée avec baguettes de soudure utilisé pour l'EPC2065, ce FET GaN est fourni en boîtier QFN à faible inductance mesurant 3 mm × 5 mm avec une face supérieure exposée pour une gestion thermique améliorée.

La résistance thermique de la face supérieure du boîtier est faible, à seulement 0,2°C par watt, ce qui se traduit par un excellent comportement thermique et un refroidissement simplifié. Sa face supérieure exposée améliore la gestion thermique du côté supérieur, tandis que les flancs mouillables latéraux garantissent que la surface complète de la pastille latérale est mouillée par la soudure pendant le processus de soudage par refusion. Cela protège le cuivre et permet de souder sur cette zone de flanc externe pour une inspection optique aisée.

L'empreinte de l'EPC2302 est inférieure à la moitié de celle du meilleur MOSFET silicium, avec une résistance R_DS(ON) et des tensions nominales similaires, tandis que ses valeurs Q_G et Q_GD sont nettement plus basses, et que sa valeur Q_RR est de zéro. Cela se traduit par des pertes de commutation et des pertes de circuit d'attaque de grille inférieures. L'EPC2302 fonctionne avec un court temps de récupération de moins de 10 nanosecondes (ns) pour un rendement supérieur, tandis que sa valeur Q_RR nulle améliore la fiabilité et minimise les interférences électromagnétiques (EMI).

Pour tester l'EPC2302, la carte d'évaluation de gestion de l'alimentation de variateur/ contrôleur moteur EPC9186KIT prend en charge les moteurs jusqu'à 5 kW et peut fournir jusqu'à 150 A_RMS et 212 A_PEAK de courant de sortie maximum (Figure 4).

Figure 4 : Face supérieure (à gauche) et face inférieure (à droite) de la carte d'évaluation 5 kW EPC9186KIT pour l'EPC2302. (Source de l'image : EPC)

Pour atteindre ce courant nominal plus élevé, l'EPC9186KIT utilise quatre FET GaN en parallèle par position de commutateur, démontrant la facilité d'utilisation de cette approche pour atteindre des niveaux de courant plus élevés. La carte supporte des fréquences de commutation PWM jusqu'à 100 kHz dans les applications d'entraînement moteur et contient toutes les fonctions essentielles pour prendre en charge un onduleur moteur complet, y compris les circuits d'attaque de grille, les alimentations auxiliaires régulées, la détection de tension et de température, la détection précise du courant, et les fonctions de protection.

Conclusion

Les onduleurs moteurs constituent le lien essentiel entre une source d'alimentation de base et un moteur. La conception d'onduleurs plus petits, plus efficaces et plus performants est un objectif de plus en plus important. Bien que les concepteurs aient le choix en matière de technologies de processus pour les dispositifs de commutation de puissance critiques utilisés par les onduleurs milieu de gamme, les dispositifs GaN, tels que ceux d'EPC, sont l'option privilégiée.