วิธีการใช้งานพาวเวอร์สเตจ GaN สำหรับระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ BLDC ที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ

การใช้งานที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ เช่น หุ่นยนต์ทำงานร่วมกัน (โคบอท), จักรยานไฟฟ้า, โดรนระดับอุตสาหกรรม และเครื่องมือไฟฟ้า จำเป็นต้องใช้มอเตอร์ไฟฟ้าที่มีน้ำหนักเบา ทรงพลัง และมีฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็ก โดยที่มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน (BLDC) เป็นตัวเลือกที่ดี แต่ระบบอิเล็กทรอนิกส์ขับเคลื่อนมอเตอร์นั้นค่อนข้างซับซ้อนและมีการพิจารณาด้านการออกแบบมากมาย ผู้ออกแบบต้องควบคุมแรงบิด ความเร็ว และตำแหน่งอย่างเข้มงวด ในขณะเดียวกันก็ต้องมีความแม่นยำสูงโดยการลดการสั่นสะเทือน เสียง และการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMR) ให้น้อยที่สุด นอกจากนี้ ต้องหลีกเลี่ยงการใช้ฮีทซิงค์ขนาดใหญ่และชุดสายไฟภายนอกเพื่อลดน้ำหนัก พื้นที่ และต้นทุน

โดยความท้าทายสำหรับนักออกแบบกลายเป็นหนึ่งในความต้องการด้านการออกแบบที่ต้องให้ความสำคัญกับเวลาและงบประมาณ ในขณะเดียวกันก็ต้องหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดในการพัฒนาที่มีค่าใช้จ่ายสูง หนึ่งในวิธีนั้นก็คือการใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำที่รวดเร็วและการสูญเสียต่ำ เช่น แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ในพาวเวอร์สเตจที่จำเป็นในการขับเคลื่อนมอเตอร์ BLDC

บทความนี้กล่าวถึงข้อดีของพาวเวอร์สเตจแบบ GaN และแนะนำอุปกรณ์ตัวอย่างจาก EPC ที่ใช้โทโพโลยีฮาล์ฟบริดจ์ โดยจะอธิบายวิธีใช้ชุดพัฒนาที่เกี่ยวข้องเพื่อการเริ่มต้นโครงการอย่างรวดเร็ว ในกระบวนการนี้ นักออกแบบจะได้เรียนรู้วิธีการวัดค่าพารามิเตอร์ของมอเตอร์ BLDC และใช้งานในโหมดการควบคุมสนามแม่เหล็ก (FOC) แบบไร้เซ็นเซอร์ โดยใช้ความพยายามในการเขียนโปรแกรมน้อยที่สุดโดยใช้ชุดพัฒนา motorBench จาก Microchip Technology

ข้อดีของ GaN

เพื่อการควบคุมมอเตอร์ BLDC ที่ใช้แบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ นักพัฒนาจำเป็นต้องมีสเตจไดรเวอร์ที่มีประสิทธิภาพและน้ำหนักเบาและมีฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็กที่สามารถติดตั้งได้ใกล้กับตัวกระตุ้นการทำงานให้มากที่สุด ตัวอย่างเช่น ภายในมอเตอร์

Insulated-gate Bipolar Junction Transistor (IGBTs) มีความทนทานและสามารถสวิชต์พลังงานสูงถึง 100 เมกะวัตต์ (MW) ที่ความถี่สูงสุด 200 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) แต่ไม่เหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องจัดการประจุแบตเตอรี่ที่แรงดันไฟฟ้าสูงถึง 80 โวลต์ ความต้านทานหน้าสัมผัสสูง, ฟรีวีลลิงไดโอด และการสูญเสียสวิตชิ่ง ตลอดจนกระแสส่วนปลายระหว่างการปิด ทั้งหมดนี้รวมกันส่งผลให้เกิดการผิดเพี้ยนของสัญญาณ การสร้างความร้อนส่วนเกิน และการแพร่แปลกปลอม

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบโลหะ-ออกไซด์-สารกึ่งนำ (MOSFET) สวิชต์เร็วกว่าและมีการสูญเสียสวิชชิ่งและการสูญเสียเนื่องจากความต้านทานต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ IGBT แต่ความจุเกทมอสเฟตต้องมีตัวขับเกทที่ทรงพลังเพื่อทำงานที่ความถี่สวิตชิ่งสูง ซึ่งความสามารถในการทำงานที่ความถี่สูงเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากนักออกแบบสามารถใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กลงเพื่อลดความต้องการพื้นที่โดยรวม

การเปลี่ยนมาใช้ทรานซิสเตอร์ GaN ที่มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงของ (HEMT) ความสามารถในการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุสูงช่วยให้สามารถสร้างและสลายรอยต่อของเซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างรวดเร็วและมีการสูญเสียต่ำ ไดรเวอร์ GaN ในตัว เช่น EPC23102ENGRT ของ EPC มีการสูญเสียการสวิชชิ่งต่ำเป็นพิเศษและมีความถี่สวิชชิ่งสูง ทำให้สามารถออกแบบอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดในพื้นที่ที่แคบที่สุดได้ ชิปโมโนลิธิกประกอบด้วยอินพุทลอจิกอินเทอร์เฟซที่มีตัวเปลี่ยนระดับ การโหลดบูตสแตรป และวงจรไดรเวอร์เกทที่ควบคุมเอาต์พุต GaN ของ FET ในโทโพโลยีแบบฮาล์ฟบริดจ์ (รูปที่ 1) แพคเกจชิปได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการระบายความร้อนสูงและการเหนี่ยวนำแฝงต่ำ

รูปที่ 1: EPC23102 ประกอบด้วยลอจิกการควบคุม ตัวเปลี่ยนระดับ ตัวขับเกท และเอาต์พุต GaN ของ FET ในโทโพโลยีแบบฮาล์ฟบริดจ์ (ซ้าย) แพ็คเกจชิป (ขวา) ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการระบายความร้อนสูงและการเหนี่ยวนำแฝงต่ำ (แหล่งที่มาภาพ: EPC)

ลดความร้อนเหลือทิ้งและลด EMR

โดยทั่วไปทรานซิสเตอร์เอาต์พุต EPC23102 มีความต้านทานระหว่างขาเดรนและขาซอร์ส (R_DS(on)) ที่ 5.2 มิลลิโอห์ม (mΩ) (ที่ 25°C) รองรับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 100 โวลต์และกระแสสูงสุด 35 แอมแปร์ (A) นอกจากนี้ โครงสร้างด้านข้างของอุปกรณ์ GaN และการที่ไม่มีไดโอดในตัวทำให้มีประจุเกต (Q_G) และการชาร์จการกลับคืนตัวย้อนกลับ (Q_RR) มีค่าต่ำเป็นพิเศษ

เมื่อเทียบกับอุปกรณ์มอสเฟตที่มี R_DS(on) ใกล้เคียงกัน ไดรเวอร์ GaN สามารถลดการสูญเสียสวิชชิ่งได้มากถึงห้าเท่า ซึ่งช่วยให้อินเวอร์เตอร์ที่ใช้ GaN ทำงานที่ความถี่การมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) ที่ค่อนข้างสูงที่สูงถึง 3 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) และมีเวลาหยุดทำงานสั้นลง (ต่ำกว่า 50 นาโนวินาที (ns))

ความเร็วในการสวิชต์สูง (dV/dt) และค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำของสารกึ่งตัวนำ GaN ในการออกแบบแพ็คเกจที่มีการเหนี่ยวนำแฝงที่ลดลงจะช่วยลดการบิดเบือนของสัญญาณ และทำให้การสูญเสีย EMR และการสูญเสียการสวิชชิ่งลดลง ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการกรอง ในขณะที่ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำต้นทุนต่ำที่มีขนาดเล็กลงจะช่วยประหยัดพื้นที่บอร์ด

ข้อดีอื่นๆ ของอุปกรณ์ GaN พร้อมด้วยความต้านทานการสัมผัส R_DS(on) ต่ำ เช่น ค่าการนำความร้อนของพื้นผิว GaN สูงและพื้นที่สัมผัสความร้อนขนาดใหญ่ของชุดส่วนประกอบ ซึ่งรวมกันเพื่อให้สเตจพาวเวอร์ GaN สามารถสวิชต์กระแสได้ถึง 15 แอมแปร์ (A) โดยไม่ต้องใช้ฮีทซิงค์ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเทียบกับกระแสเฟสสำหรับสเตจพาวเวอร์ GaN ที่มีอุณหภูมิแวดล้อม 25.5°C และที่ความถี่ PWM ต่างกัน (แหล่งที่มาภาพ: EPC)

EPC23102 ยังมีตัวแปลงระดับที่แข็งแกร่งจากแชนเนลด้านต่ำไปยังด้านสูงที่ได้รับการออกแบบให้ทำงานภายใต้สภาวะการสวิชต์ที่นุ่มนวลและสวิชต์ได้ยาก แม้ในแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วลบมีค่าสูง และเพื่อหลีกเลี่ยงการทริกเกอร์ที่ผิดพลาดโดยทรานเซียนท์ dV/dt ที่รวดเร็ว รวมทั้งความผิดพลาดที่มาจากแหล่งภายนอกหรือเฟสที่อยู่ติดกัน วงจรภายในจะรวมลอจิกและการชาร์จพลังงานแบบบูตสแตรปและปิดใช้งานฟังก์ชันต่างๆ ฟังก์ชันการป้องกันจะป้องกันการเปิดเอาต์พุตของ FET ที่ไม่ต้องการเมื่อแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายต่ำเกินไป หรือแม้กระทั่งไม่มีแหล่งจ่าย

ชุดประเมินมอเตอร์อินเวอร์เตอร์แบบพร้อมใช้งาน

วิธีที่ง่ายที่สุดและเร็วที่สุดในการติดตั้งมอเตอร์ BLDC แบบสามเฟสด้วยเทคโนโลยี GaN คือการใช้ชุดประเมินมอเตอร์อินเวอร์เตอร์ EPC9176KIT ของ EPC ประกอบด้วยบอร์ดอินเวอร์เตอร์มอเตอร์ EPC9176 และบอร์ดควบคุม DSP รวมอแดปเตอร์ปลั๊กอินคอนโทรลเลอร์ EPC9147E อย่างง่ายสำหรับการควบคุมผ่านโฮสต์คอนโทรลเลอร์เฉพาะของลูกค้า คัปปลิ้งคอนเนคเตอร์มีสัญญาณต่อไปนี้: 3 × PWM, 2 × ตัวเข้ารหัส, 3 × U_phase, 3 × I_phase, U_DC, I_DC และ 2 × LED แสดงสถานะ

ในการออกแบบอ้างอิง บอร์ดอินเวอร์เตอร์มอเตอร์ EPC9176 ช่วยอำนวยความสะดวกในการออกแบบวงจรภายใน ในขณะที่เมื่อใช้บอร์ดควบคุม EPC9147A กับสภาพแวดล้อมการพัฒนา motorBench ของ Microchip Technology จะช่วยให้ผู้ใช้สามารถเริ่มต้นใช้งานได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องเสียเวลาเขียนโค้ดหรือตั้งโปรแกรม

อินเวอร์เตอร์มอเตอร์ BLDC สามเฟสรวมไดรเวอร์ฮาล์ฟบริดจ์ GaN EPC23102 สามตัวเพื่อควบคุมมอเตอร์ AC หรือ DC และตัวแปลงไฟฟ้า DC/DC โดยมี R_DS(on) สูงสุด 6.6 mΩ ระดับพลังงานทำให้สูญเสียความร้อนเพียงเล็กน้อยที่กระแสโหลดสูงสุด 28 A สูงสุด (A_pk) หรือ 20 A rms (A_RMS) ในการทำงานคงที่ที่แรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งสูงถึง 100 โวลต์ โดยกำหนดค่าสำหรับการแปลง DC/DC หลายเฟส EPC23102 รองรับความถี่การสวิตช์ PWM สูงถึง 500 kHz และสูงถึง 250 kHz สำหรับการใช้งานมอเตอร์ไดรฟ์

บอร์ดอินเวอร์เตอร์มอเตอร์ EPC9176 ขนาด 8.1 × 7.5 เซนติเมตร มีวงจรการทำงานที่สำคัญทั้งหมดที่จำเป็นต่อการรองรับมอเตอร์อินเวอร์เตอร์ที่สมบูรณ์ รวมถึงตัวเก็บประจุบัส DC, เกตไดรเวอร์, แรงดันไฟฟ้าเสริมที่มีการควบคุม, แรงดันเฟส, กระแสเฟส และการวัดอุณหภูมิ พร้อมด้วย ฟังก์ชันการป้องกันและตัวกรองฮาร์มอนิกหรือ EMR เสริมสำหรับแต่ละเฟส (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: มอเตอร์อินเวอร์เตอร์ EPC9176 ประกอบด้วยตัวเก็บประจุบัส DC, เกตไดรเวอร์, ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า, การตรวจวัดแรงดันไฟฟ้า, ฟังก์ชันป้องกันกระแสและอุณหภูมิ และตัวกรอง EMR (แหล่งที่มาภาพ: EPC)

อินเวอร์เตอร์ GaN สามเฟสทำงานที่แรงดันไฟฟ้าอินพุตตั้งแต่ 14 ถึง 65 V_DC โดยจะสวิตช์โดยไม่โอเวอร์ชูต ทำให้ได้แรงบิดที่ราบรื่นและเสียงรบกวนจากการทำงานน้อยที่สุด บอร์ดนี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับความชันการสวิชต์ความเร็วสูงโดยทั่วไปของ GaN ที่ต่ำกว่า 10 โวลต์ต่อนาโนวินาที (V/ns) และสามารถลดขนาดได้เพื่อใช้ตัวแปลง DC/DC นอกจากนี้ยังสามารถเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ตำแหน่งโรเตอร์ (เซ็นเซอร์ฮอลล์) สองตัวที่ทำงานในระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันได้

แรงบิดที่ปราศจากการสั่นสะเทือนและเสียงขณะทำงานต่ำ

ตัวอย่างของการใช้มอเตอร์ BLDC แบบสามเฟส แสดงให้เห็นถึงผลกระทบของการกำหนดพารามิเตอร์ช่วงเวลาเดตไทม์ต่อการทำงานที่ราบรื่นของมอเตอร์ และทำให้เกิดเสียงรบกวน เวลาล็อคที่การเปลี่ยนการสวิตช์ของ FET ด้านสูงและด้านต่ำของฮาล์ฟบริดจ์ตาม GaN FET สามารถเลือกให้มีค่าน้อยมากได้เนื่องจาก GaN HEMT ตอบสนองเร็วมากและไม่ก่อให้เกิดการแฝงเกินขนาด เช่นเดียวกับที่เป็น กรณีที่มีมอสเฟตที่ช้ากว่า

รูปที่ 4 (ซ้าย) แสดงอินเวอร์เตอร์ GaN ทำงานที่ช่วงเวลาเดตไทม์ทั่วไปสำหรับมอสเฟตที่ 500 ns ที่ความถี่ PWM ที่ 40 kHz สิ่งที่ควรเป็นกระแสเฟสไซน์ที่ราบรื่นจะแสดงความผิดเพี้ยนที่สูงมาก ซึ่งส่งผลให้เกิดการกระเพื่อมของแรงบิดสูงและสัญญาณรบกวนที่สอดคล้องกัน ในรูปที่ 4 (ขวา) ช่วงเวลาเดตไทม์ลดลงเหลือ 50 นาโนเมตร สร้างกระแสเฟสไซน์เพื่อให้มอเตอร์ทำงานได้อย่างราบรื่นและมีสัญญาณรบกวนน้อยมาก

รูปที่ 4: ช่วงเวลาเดตไทม์ 500 ns ที่ความถี่ PWM 40 kHz (ซ้าย) โดยทั่วไปสำหรับมอสเฟตทำให้เกิดความผิดเพี้ยนสูงในกระแสเฟสซึ่งส่งผลให้เกิดการกระเพื่อมของแรงบิดสูงและระดับเสียงรบกวนสูง ด้วยช่วงเวลาเดตไทม์ 50 ns (ขวา) กระแสเฟสไซน์ถูกสร้างขึ้นเพื่อให้มอเตอร์หมุนได้อย่างราบรื่นโดยมีสัญญาณรบกวนต่ำ (แหล่งที่มาภาพ: EPC)

การกระเพื่อมที่น้อยลงในกระแสเฟสยังหมายถึงการสูญเสียสนามแม่เหล็กในขดลวดสเตเตอร์ที่ลดลง ในขณะที่การกระเพื่อมที่น้อยลงในเฟสแรงดันช่วยให้มีความละเอียดสูงขึ้น รวมถึงการควบคุมแรงบิดและความเร็วที่แม่นยำยิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับมอเตอร์ที่มีความเหนี่ยวนำต่ำซึ่งใช้ในการออกแบบขนาดเล็ก

สำหรับการใช้งานมอเตอร์ไดรฟ์ที่ต้องการพลังงานมากขึ้น มีบอร์ดอินเวอร์เตอร์ GaN ให้เลือก 2 ชุด: EPC9167HCKIT (1 กิโลวัตต์ (kW)) และEPC9167KIT (500 วัตต์) ทั้งคู่ใช้ EPC2065 GaN FET ซึ่งมี R_DS(on) สูงสุด 3.6 mΩ และแรงดันอุปกรณ์สูงสุด 80 โวลต์ ในขณะที่บอร์ด EPC9167 ใช้ FET เดียวสำหรับแต่ละตำแหน่งการสวิตช์ EPC9167HC มี FET สองชุดที่ทำงานพร้อมกัน โดยจ่ายกระแสไฟขาออกได้สูงสุด 42 A_pk (30 A_RMS) โดยที่ EPC2065 GaN FET รองรับความถี่การสวิตช์ PWM สูงสุด 250 kHz ในการควบคุมมอเตอร์ และสูงสุด 500 kHz ในตัวแปลง DC/DC

บอร์ดอินเวอร์เตอร์ใน EPC9173KIT มีกำลังไฟที่สูงขึ้นที่สูงถึง 1.5 กิโลวัตต์ บอร์ดสร้างฮาล์ฟบริดจ์ของไอซีไดรเวอร์เกท GaN เดี่ยว EPC23101ENGRT สองตัวที่มี FET กำลังสูงในตัวตัวเดียวเท่านั้น บอร์ดนี้สามารถขยายเป็นตัวแปลงบัค บูสต์ ฮาล์ฟบริดจ์ ฟูลบริดจ์ หรือ LLC ที่ให้กระแสไฟขาออกสูงถึง 50 A_pk (35 A_RMS) และทำงานที่ความถี่การสวิตช์ PWM สูงถึง 250 kHz พร้อมการระบายความร้อนที่เหมาะสม

เริ่มสเตจไดรเวอร์และทำงานในไม่กี่นาที

วิธีที่เร็วที่สุดในการประเมินบอร์ดอินเวอร์เตอร์ EPC9176 GaN โดยไม่ต้องเขียนโค้ด คือการใช้บอร์ดอินเทอร์เฟซคอนโทรลเลอร์ EPC9147A โมดูลปลั๊กอิน (PIM) MA330031-2 ประกอบด้วย dsPIC33EP256MC506-I-PT DSP 16 บิตจาก Microchip Technology (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: การ์ดอินเทอร์เฟซคอนโทรลเลอร์อเนกประสงค์ EPC9147A สามารถรองรับโมดูลปลั๊กอินต่างๆ เช่น MA330031-2 PIM ซึ่งใช้ dsPIC33EP256 DSP 16 บิต (แหล่งที่มาภาพ: EPC/Microchip Technology)

เพื่ออำนวยความสะดวกในการทำงานของอินเทอร์เฟซคอนโทรลเลอร์ DSP นักออกแบบสามารถใช้ motorBench Development Suite ซึ่งต้องเพิ่ม:

1. MPLAB X IDE_V5.45 และการอัปเดตที่แนะนำ
2. ปลั๊กอินตัวกำหนดค่าโค้ด (การรวบรวมเฉพาะ DSP)
3. ปลั๊กอิน motorBench 2.35 (ตัวอย่างมอเตอร์)

สำหรับการบทความนี้จะใช้บอร์ดอินเวอร์เตอร์มอเตอร์ GaN EPC9146 เป็นตัวอย่าง ดังนั้น:

4. เริ่มด้วยโปรเจ็ค MCLV-2 หรือ EPC สำหรับ EPC914xKIT ชื่อ “sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X”

ผู้ใช้สามารถเลือกไฟล์ฐานสิบหกตัวอย่างสำหรับบอร์ดอินเวอร์เตอร์มอเตอร์ GaN EPC9146 และแฟลชลงใน DSP dsPIC33EP256MC506 โดยใช้อแดปเตอร์โปรแกรม เช่น PG164100 ของ Microchip Technology สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ 16 บิต จากนั้นมอเตอร์ BLDC ที่เชื่อมต่อ (Teknic_M-3411P-LN-08D) จะสามารถควบคุมได้ผ่านส่วนควบคุมและทำงานในโหมด FOC แบบไร้เซ็นเซอร์

หากมอเตอร์ทำงานไม่เป็นที่พอใจหรือจำเป็นต้องกำหนดค่าสำหรับสถานะการทำงานอื่น motorBench ยังมีไฟล์ตัวอย่างที่กำหนดค่าได้ซึ่งต้องรวบรวมก่อนที่จะมีการกะพริบ พารามิเตอร์เบื้องต้นแต่สำคัญสำหรับไดรเวอร์มอเตอร์ GaN ดังที่กล่าวไว้ข้างต้นคือช่วงเวลาเดตไทม์ 50 ns หรือน้อยกว่า ซึ่งต้องตรวจสอบอย่างละเอียดก่อนที่จะคอมไพล์ไฟล์ฐานสิบหก

พารามิเตอร์ที่กำหนดเองสำหรับมอเตอร์ BLDC

ในการกำหนดค่ามอเตอร์ BLDC แบบกำหนดเองสำหรับการทำงาน FOC แบบไร้เซ็นเซอร์โดยใช้ motorBench IDE ผู้ใช้สามารถวัดพารามิเตอร์มอเตอร์เฉพาะของตนและป้อนค่าที่เกี่ยวข้องในไฟล์การกำหนดค่าได้ มอเตอร์ MOT-I-81542-A จากISL Products International ตัวอย่างเช่น สามารถใช้เป็นมอเตอร์ทดสอบได้ที่นี่ ใช้พลังงานประมาณ 361 วัตต์ที่ทำงานด้วยไฟฟ้า 24 โวลต์และทำงานที่ 6,100 รอบต่อนาที (rpm)

ต้องกำหนดพารามิเตอร์มอเตอร์ทั้งสี่นี้ก่อน:

• ความต้านทานโอห์มมิก: วัดระหว่างขั้วขดลวดสเตเตอร์โดยใช้มัลติมิเตอร์
• ความเหนี่ยวนำ: วัดระหว่างขั้วขดลวดสเตเตอร์โดยใช้มัลติมิเตอร์
• จำนวนคู่โพล: ในการพิจารณาคู่โพล ผู้ออกแบบต้องลัดวงจรสองเฟส เปิดเฟสที่สามทิ้งไว้ จากนั้นนับจำนวนสลักที่รอบเพลาหนึ่งรอบด้วยมือ จากนั้นหารผลลัพธ์ด้วยสอง
• แรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับ (BEMF): BEMF วัดระหว่างขั้วขดลวดสเตเตอร์โดยใช้ออสซิลโลสโคป ในการดำเนินการดังกล่าว ผู้ออกแบบจะต้อง:
  • หนีบโพรบเข้ากับสายนำไฟฟ้าสองเฟส โดยเปิดเฟสที่สามทิ้งไว้
  • หมุนเพลามอเตอร์ด้วยมือและบันทึกการตอบสนองของแรงดันไฟฟ้า
  • วัดแรงดันพีคถึงพีค A_pp และช่วง T_half ของครึ่งคลื่นไซน์ที่ใหญ่ที่สุด (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ค่า BEMF จากการวัดแรงดันพีคทูพีค A_pp และช่วง T_half ของครึ่งคลื่นไซน์ที่ใหญ่ที่สุด (แหล่งที่มาภาพ: EPC)

จากโปรเจ็คตัวอย่างข้างต้น Microchip กำหนดพารามิเตอร์ต่อไปนี้สำหรับมอเตอร์ Teknic M-3411P-LN-08D (8.4 A_RMS , โพลแปดขั้ว, แรงบิด = 1 นิวตัน-เมตร (Nm) และกำลังไฟฟ้า 244 วัตต์):

• A_pp = 15.836 V_pp
• T_half = 13.92 ms
• จำนวนคู่โพล: pp = 4
• จากนั้น Microchip จะคำนวณค่าคงที่ BEMF (สำหรับ 1,000 รอบต่อนาที = 1 k_rpm) โดยใช้สมการที่ 1:

สมการที่ 1

สำหรับมอเตอร์ตัวอย่างนี้

(ใช้ค่า 10.2 สำหรับ motorBench)

• R_L-L = 800 mΩ ความต้านทานแบบระหว่างไลน์, ลบ 100 mΩ เนื่องจากสายวัด LCR
• L_d = L_q = 1 mH ที่ใช้ในตัวอย่างนี้ แม้จะวัดได้ 932 ไมโครเฮนรี (µH)

พารามิเตอร์ที่กำหนดจะถูกป้อนลงในเมนูย่อยของ motorBench Configure/PMSM Motor ซึ่งนักออกแบบสามารถใช้ไฟล์คอนฟิกูเรชัน XML ของมอเตอร์ประเภทเดียวกันได้ อีกทางหนึ่ง สามารถป้อนพารามิเตอร์ลงในไฟล์การกำหนดค่าที่สร้างขึ้นใหม่ (ว่าง) ซึ่งสามารถนำเข้าได้โดยใช้ปุ่ม "นำเข้ามอเตอร์"

สรุป

ไอซีขับมอเตอร์ GaN ให้มอเตอร์ไดร์ฟประสิทธิภาพสูงสำหรับมอเตอร์ BLDC ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ โดยที่มีฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็กและน้ำหนักเบา เมื่อรวมเข้ากับตัวมอเตอร์แล้ว อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการปกป้องอย่างดี ลดความซับซ้อนในการออกแบบและติดตั้งอุปกรณ์ และลดการบำรุงรักษา

จากวงจรอ้างอิง ตัวควบคุม DSP ตามโมเดลที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้า และสภาพแวดล้อมการพัฒนามอเตอร์ ทำให้นักออกแบบและโปรแกรมเมอร์มอเตอร์ BLDC สามารถลดเวลาการออกแบบวงจรให้สั้นลงและมุ่งเน้นที่การพัฒนาด้านการใช้งานได้มากขึ้น