Na BLDC platí střídač. Se ztrátami zatočí kupa FETů

Elektrické koloběžky, vysokozdvižné vozíky, zemědělské stroje, průmyslová automatizace, robotika nebo též profesionální drony s výkony až do pěti kilowattů, za které však neplatíme spoustou místa. Taková je představa firmy Efficient Power Conversion, která přišla v půli dubna [1] se dvěma vývojovými deskami s nimiž lze pohodlně navrhnout třífázové střídače právě pro bezkartáčové motory BLDC.

Více FETů? Výhoda

Jak už bývá v EPC dobrým zvykem, základem jsou technologie na bázi nitridu galia, zde konkrétně stovoltové polem řízené tranzistory FET eGaN^® s označením EPC2361, které se pyšní typickým odporem v sepnutém stavu R_DS(on) na úrovni 0,75 mΩ, který pro shodné V_GS = 5 V, a proud tekoucí kolektorem rovný padesáti ampérům, dále nepřekračuje jeden miliohm [2]. Výrobce u výkonového spínače slibuje trvalý průtok I_D = 133 A, který však smí v pulzním režimu, tj. při uvážení doby deseti mikrosekund, dosahovat opět při teplotě +125 °C velikosti až 558 A nebo za pokojových podmínek bezmála až sedmi stovek ampér. To vše v pouzdrech o velkosti jen 3 × 5 mm. S teplotou T_J se přitom v provozu pohybujeme mezi -40 °C a +150 °C.

Pravda, jeden referenční návrh, který aktuálně představené řešení až nápadně připomíná, již v Efficient Power Conversion mají. Jedná se o výchozí platformu EPC9186 (150 A_RMS, wide input voltage 3-Phase BLDC Motor Drive Inverter, na stránkách DPS Elektronika do A do Z jsme tři roky nazpět informovali v [3]), která dosud stavěla na obdobných tranzistorech EPC2302, takže musíme nějak odlišovat. Nejlépe jen s koncovkami HC2, resp. HC3, protože oba nové návrhy, jak EPC9186HC2, tak též EPC9186HC3, jinak zdědily stejnou hardwarovou architekturu. Rozdíl ale spočívá v samotném typu koncového tranzistoru a za druhé v počtu takto osazených polovodičových spínačů, zapojených paralelně, takže se nám dále zlepšují vlastnosti, provázející průchod elektrického proudu.

Vývojová deska třífázového střídače pro bezkartáčové motory EPC9186HC2 bude proto počítat s dvojicí paralelně zapojených FETů ^eGaN® EPC2361 pro každou ze spínacích pozic polovičního můstku, proudy I_Phase do 130 A_RMS nebo maximálním výstupem v podobě 184 A_pk. U řešení s koncovkou HC3 pokaždé přibyl třetí tranzistor shodného typu a k proudové úrovni si přičtěte dalších dvacet ampér k dobru. Jen pro srovnání, výchozí systém 3f budiče EPC9186 kalkuluje se shodnými průtoky 150 A_RMS nebo špičkově 212 A_pk, ale odlišné tranzistory EPC2302 pokaždé osadíme hned čtyři. Při uvážení vyšší a také nižší strany napájení, ale i celkového počtu polovičních můstků, nakonec zapojíme rovných dvacet čtyři FETů, příp. též osmnáct nebo jen dvanáct spínacích prvků v případě novějších verzí. Zbylé pozice na desce zůstávají volné [4].

Plynule a tišeji

V porovnání s tradičními křemíkovými MOSFETy lákají prvky eGaN^® EPC2361 na nižší náboj hradla a také výstupní kapacitu. Lze proto spínat rychleji a s menšími ztrátami, dosahovat vyšší efektivity, přizvat menší pasivní součástky a počítat u řízení motoru třeba i s větší šířkou pásma. K tomu si ještě přičteme všechny tranzistory zapojené vedle sebe, což dále snižuje ekvivalentní odpor v sepnutém stavu a zvyšuje účinnost při vyšších proudových odběrech. Nesmíme však zapomínat, že do definice maximálního proudu vstupuje řada vlivů v čele s teplotou a reálný výsledek bude hned vedle chlazení ovlivňován i frekvencí spínání nebo např. velikostí napětí. Kmitočet f_SW zde spadá do pásma 20 kHz až 120 kHz. A pokud jde o vstupní stejnosměrné napájení, výrobce stanovuje 14 V až 60 V, tedy s přihlédnutím ke jmenovitému zdroji 48 V. Do maximální úrovně I_Phase v návrhu rovněž promlouvá zvolený způsob měření proudu, kdy u jednotlivých větví použijeme buď shunt rezistory s odporem 100 μΩ a invertující zesilovače INA240 od společnosti Texas Instruments (šířka pásma 400 kHz je odpovídající pro spínácí frekvenci 100 kHz) nebo sáhneme po neinvertujícím systému s proudovými senzory ACS72981 od firmy Allegro (200 μΩ). Optimalizovaná rychlost přeběhu dv/dt činí u silového systému 6 V/ns.

A jak je na tom samotná deska o rozměrech 135 mm × 100 mm (včetně konektoru) s vlastní výbavou? Výrobce hned vedle budičů hradel či výše zmíněného měření proudů jednotlivých větví s velkou šířkou pásma dále slibuje monitorování napětí, systémové napájení nebo např. ochranné funkce typu detekce nadproudů či vstupního podpěťového zámku. Vývojové desky podporují bezsenzorové konfigurace, ale také řízení motoru s enkodérem a jsou kompatibilní s platformami od společností Microchip, Texas Instruments či STMicroelectronics. Ve hře je rovněž FOC, tzn. přesné řízení točivého momentu a stabilní provoz v uzavřené smyčce napříč širokým rozsahem spínacích kmitočtů. A k tomu všemu lze stáhnout schémata zapojení, rozpisky součástek nebo Gerber soubory.

Výmluvné srovnání jednotlivých návrhů EPC9186, EPC9186HC2 či EPC9186HC3 plyne z posledního obrázku. Měření zde probíhalo za následujících podmínek: napájení ze zdroje 48 V_DC, PWM 100 kHz, dead time = 50 ns, chladič a ještě k tomu vynucený průtok vzduchu 3,5 m³/min. Při vyšších odběrech, konkrétně nad 70 A_RMS, dominují ztráty vedením a deska s nejnižším ekvivalentním odporem v sepnutém stavu, což je právě EPC9186HC3, dosahuje optikou nárůstu teploty i nejlepších výsledků [4].

Odkazy:

[1] Tisková zpráva, https://epc-co.com/epc/about-epc/events-and-news/news/artmid/1627/articleid/3296/epc-releases-5-kw-gan-3-phase-inverters-for-robotics-and-light-evs

[2] Tranzistory EPC2361, https://epc-co.com/epc/products/gan-fets-and-ics/epc2361

[3] Referenční návrh EPC pro buzení motorů s FETy GaN a špičkovými proudy 200 A, https://www.dps-az.cz/zpravy/id:93487/referencni-navrh-epc-pro-buzeni-motoru-s-fety-gan-a-spickovymi-proudy-200-a

[4] EPC9186, EPC9186HC2, EPC9186HC3, https://epc-co.com/epc/products/evaluation-boards/epc9186

robenek@dps-az.cz