วิธีใช้อุปกรณ์จ่ายไฟ GaN สำหรับอินเวอร์เตอร์มอเตอร์ระดับกลางที่เหนือกว่า

การผลักดันให้ใช้แหล่งพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น กฎระเบียบที่เข้มงวดมากขึ้น และประโยชน์ทางเทคนิคของการทำงานของตัวระบายความร้อน ทั้งหมดนี้สนับสนุนแนวคิดล่าสุดในการลดปริมาณพลังงานที่ใช้โดยมอเตอร์ไฟฟ้า แม้ว่าเทคโนโลยีสวิตชิ่ง เช่น มอสเฟตซิลิคอนจะแพร่หลาย แต่ก็มักจะไม่สามารถตอบสนองวัตถุประสงค์ด้านประสิทธิภาพมีความต้องการที่มากขึ้นของอินเวอร์เตอร์ที่สำคัญได้

นักออกแบบสามารถบรรลุเป้าหมายเหล่านี้ได้โดยใช้แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีอุปกรณ์ FET แบบแถบพลังงานกว้าง (WBG) ที่ได้รับการปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นในแง่ของต้นทุน ประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และความสะดวกในการใช้งาน ขณะนี้อุปกรณ์ GaN กลายเป็นกระแสหลักและกลายเป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับอินเวอร์เตอร์พลังงานระดับกลาง

บทความนี้จะตรวจสอบว่า FET ที่ใช้ GaN รุ่นล่าสุดจาก Efficient Power Conversion Corporation (EPC) สามารถช่วยให้อินเวอร์เตอร์มอเตอร์มีประสิทธิภาพสูงได้อย่างไร มีการนำเสนอบอร์ดประเมินผลเพื่อช่วยให้นักออกแบบคุ้นเคยกับคุณลักษณะของอุปกรณ์ GaN และเร่งการออกแบบ

อินเวอร์เตอร์คืออะไร?

บทบาทของอินเวอร์เตอร์คือการสร้างและควบคุมรูปคลื่นกำลังที่ขับเคลื่อนมอเตอร์ ซึ่งมักเป็นประเภท DC แบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) โดยจะควบคุมความเร็วและแรงบิดของมอเตอร์เพื่อการสตาร์ทและหยุด ถอยหลัง และอัตราการเร่งความเร็วที่ราบรื่น เหนือข้อกำหนดอื่นๆ นอกจากนี้ยังต้องแน่ใจว่าสามารถบรรลุและรักษาประสิทธิภาพของมอเตอร์ตามที่ต้องการแม้จะมีการเปลี่ยนแปลงโหลดก็ตาม

ไม่ควรสับสนระหว่างมอเตอร์อินเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุตความถี่แปรผันกับอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ โดยอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับใช้กระแสตรงจากแหล่งกำเนิด เช่น แบตเตอรี่รถยนต์เพื่อสร้างรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับความถี่คงที่ 120/240 โวลต์ ซึ่งใกล้เคียงกับคลื่นไซน์และสามารถใช้กับอุปกรณ์ที่ทำงานด้วยสายไฟได้

ทำไมต้องพิจารณา GaN?

อุปกรณ์ GaN มีคุณสมบัติที่น่าสนใจเมื่อเทียบกับซิลิคอน รวมถึงความเร็วในการสวิตช์ที่สูงกว่า ความต้านทานระหว่างขาเดรน-ซอร์ส (R_DS(ON)) ที่ลดลงและประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีขึ้น โดย R_DS(ON) ที่ต่ำกว่าช่วยให้สามารถใช้กับมอเตอร์ไดรฟ์ที่มีขนาดเล็กลงและเบาขึ้น และลดการสูญเสียพลังงาน ประหยัดพลังงานและต้นทุนในการใช้งาน เช่น จักรยานไฟฟ้าและโดรน การสูญเสียสวิตช์ที่ลดลงส่งผลให้ตัวขับเคลื่อนมอเตอร์มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งสามารถขยายขอบเขตของยานพาหนะไฟฟ้าขนาดเล็ก (EV) ได้ ความเร็วในการสวิตช์ที่เร็วขึ้นช่วยให้การตอบสนองของมอเตอร์มีความหน่วงต่ำ ซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานที่ต้องการการควบคุมมอเตอร์ที่แม่นยำ เช่น หุ่นยนต์ นอกจากนั้น GaN FET ยังสามารถใช้เพื่อพัฒนามอเตอร์ขับเคลื่อนของรถยกที่ทรงพลังและมีประสิทธิภาพมากขึ้นอีกด้วย ความสามารถในการจัดการกระแสที่สูงขึ้นของ GaN FET ช่วยให้สามารถใช้กับมอเตอร์ขนาดใหญ่และทรงพลังยิ่งขึ้นได้

สำหรับการใช้งานขั้นสุดท้าย ประโยชน์ที่สำคัญที่สุดคือขนาดและน้ำหนักที่ลดลง ความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงานที่สูงขึ้น และประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีขึ้น

เริ่มต้นใช้งาน GaN

การออกแบบด้วยอุปกรณ์สวิตชิ่งใดๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับกระแสและแรงดันไฟฟ้าช่วงกลาง จำเป็นต้องใส่ใจในรายละเอียดที่เล็กที่สุดและคุณลักษณะเฉพาะของอุปกรณ์ โดยอุปกรณ์ GaN มีโครงสร้างภายในสองตัวเลือก: โหมดดีพลีชั่น (d-GaN) และโหมดเอนฮานซ์เมนต์ (e-GaN) โดยปกติสวิตช์ d-GaN จะเป็นแบบปกติ "เปิด" และต้องใช้แหล่งจ่ายไฟเป็นลบ การออกแบบวงจรมีความซับซ้อนมากกว่า ในทางตรงกันข้าม สวิตช์ e-GaN โดยปกติจะเป็นมอสเฟตแบบปกติ "ปิด" ซึ่งส่งผลให้มีสถาปัตยกรรมวงจรที่เรียบง่ายกว่า

อุปกรณ์ GaN มีลักษณะเป็นแบบสองทิศทางอย่างแท้จริง และจะเริ่มทำงานเมื่อแรงดันย้อนกลับที่ผ่านอุปกรณ์เหล่านั้นเกินแรงดันเกณฑ์เกต นอกจากนี้ เนื่องจากไม่สามารถใช้งานโหมด Avalanche ตามการออกแบบได้ จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าที่เพียงพอ โดยทั่วไปพิกัด 600 โวลต์จะเพียงพอสำหรับแรงดันไฟฟ้าบัสสูงถึง 480 โวลต์สำหรับโทโพโลยีการแปลง DC แบบบั๊ก บูสต์ และบริดจ์

แม้ว่าสวิตช์ GaN จะเรียบง่ายในฟังก์ชันการเปิด/ปิดสวิตช์ไฟขั้นพื้นฐาน แต่ก็เป็นอุปกรณ์จ่ายไฟ ดังนั้นนักออกแบบจึงต้องพิจารณาอย่างรอบคอบถึงข้อกำหนดในการเปิดและปิดไดรฟ์, จังหวะเวลาการสวิตช์, เค้าโครง, ผลกระทบของโหลดปรสิต, การควบคุมการไหลของกระแส และความต้านทานกระแส (IR) ลดลงบนแผงวงจร

สำหรับนักออกแบบจำนวนมาก การใช้ประโยชน์จากชุดประเมินผลเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการทำความเข้าใจว่าอุปกรณ์ GaN สามารถทำอะไรได้บ้างและใช้งานอย่างไร ชุดอุปกรณ์เหล่านี้ใช้อุปกรณ์ GaN แต่ละตัวหรือหลายตัวในการกำหนดค่าและระดับพลังงานที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ยังรวมถึงส่วนประกอบแฝงที่เกี่ยวข้อง รวมถึงตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ ตัวต้านทาน ไดโอด เซ็นเซอร์อุณหภูมิ อุปกรณ์ป้องกัน และตัวเชื่อมต่อ

เริ่มต้นด้วยอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำ

ตัวอย่างที่ดีของ GaN FET ที่ใช้พลังงานต่ำคือ EPC2065 มีแรงดันไฟฟ้าขาเดรน-ซอร์ส (V_DS ) 80 โวลต์ กระแสขาเดรน (I_d) ของ 60 แอมแปร์ (A) และค่า R_DS(ON) 3.6 มิลลิโอห์ม (mΩ) มีจำหน่ายเฉพาะในรูปแบบดายที่มีแท่งบัดกรี และมีขนาด 3.5 × 1.95 มิลลิเมตร (มม.) (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: EPC2065 GaN FET ขนาด 80 โวลต์ 60 A เป็นอุปกรณ์ดายแบบพาสซีฟที่มีแท่งบัดกรีในตัว (แหล่งที่มาภาพ: EPC)

เช่นเดียวกับอุปกรณ์ GaN อื่นๆ โครงสร้างอุปกรณ์ด้านข้างของ EPC2065 และไดโอดแครี่เออร์ส่วนใหญ่ให้ประจุเกตรวม (Q_G) ที่ต่ำเป็นพิเศษและการชาร์จย้อนกลับ (Q_RR) เป็นศูนย์ คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีความถี่สวิตชิ่งสูงมาก (สูงถึงหลายร้อยกิโลเฮิรตซ์) และเวลาเปิดต่ำเป็นประโยชน์ เช่นเดียวกับสถานการณ์ที่การสูญเสียในสถานะออนเป็นหลัก

อุปกรณ์นี้ได้รับการสนับสนุนจากชุดประเมินผลที่คล้ายกันสองชุด: EPC9167KIT สำหรับการทำงาน 20 A/500 วัตต์ และกำลังสูงกว่าEPC9167HCKIT สำหรับการทำงาน 20 A/1 กิโลวัตต์ (kW) (รูปที่ 2) ทั้งสองรุ่นเป็นบอร์ดอินเวอร์เตอร์ขับเคลื่อนมอเตอร์ BLDC สามเฟส

รูปที่ 2: แสดงด้านล่าง (ซ้าย) และด้านบน (ขวา) ของบอร์ด EPC9167 (แหล่งที่มาภาพ: EPC)

รูปแบบ EPC9167KIT พื้นฐานใช้ FET เดียวสำหรับแต่ละตำแหน่งสวิตช์และสามารถจ่ายกระแสไฟได้สูงสุด 15 A_RMS (ค่าที่กำหนด) และ 20 A_RMS (ค่าสูงสุด) ต่อเฟส ในทางตรงกันข้าม รูปแบบ EPC9167HC ที่มีกระแสสูงกว่าจะใช้ FET แบบขนานสองตัวต่อตำแหน่งสวิตช์ และสามารถส่งกระแสสูงสุดได้สูงสุดถึง 20 A_RMS/30 A_RMS กระแสเอาต์พุต (ปกติ/สูงสุด) แสดงให้เห็นถึงความง่ายโดยสัมพัทธ์ซึ่งสามารถกำหนดค่า GaN FET แบบขนานเพื่อให้กระแสเอาต์พุตสูงขึ้น บล็อกไดอะแกรมของบอร์ด EPC9167 ฐานแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3: แสดงเป็นบล็อกไดอะแกรมของบอร์ด EPC9167 ฐานในไดรฟ์ BLDC EPC9167HC ที่ใช้พลังงานสูงกว่าจะมีอุปกรณ์ EPC2065 สองตัวขนานกันสำหรับสวิตช์แต่ละตัว ในขณะที่ EPC9167 ที่ใช้พลังงานต่ำกว่าจะมี FET เพียงตัวเดียวต่อสวิตช์ (แหล่งที่มาภาพ: EPC)

EPC9167KIT มีวงจรสำคัญทั้งหมดเพื่อรองรับอินเวอร์เตอร์ขับเคลื่อนมอเตอร์ที่สมบูรณ์ รวมถึงตัวขับเกต รางจ่ายไฟเสริมที่ได้รับการควบคุมสำหรับการจ่ายเฮ้าส์คีปปิ้ง การตรวจจับแรงดันไฟฟ้า การตรวจจับอุณหภูมิ การตรวจจับกระแสไฟฟ้า และฟังก์ชันการป้องกัน

EPC9167 ใช้งานร่วมกับคอนโทรลเลอร์ที่เข้ากันได้หลายประเภท และได้รับการสนับสนุนจากผู้ผลิตหลายราย สามารถกำหนดค่าให้เป็นอินเวอร์เตอร์มอเตอร์ไดรฟ์หรือตัวแปลง DC-DC ได้อย่างรวดเร็ว โดยใช้ประโยชน์จากทรัพยากรที่มีอยู่เพื่อการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ในบทบาทเดิม ให้การแปลง DC-DC แบบหลายเฟสที่รองรับความถี่การสวิตช์การปรับความกว้างพัลส์ (PWM) สูงถึง 250 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ในมอเตอร์ไดรฟ์ สำหรับการใช้งาน DC-DC ที่ไม่ใช่มอเตอร์ จะทำงานได้สูงสุด 500 kHz

กำลังไฟฟ้าที่สูงขึ้น

อีกด้านของการจัดการกำลังไฟฟ้าคือ EPC2302 GaN FET ที่มีพิกัด 100 โวลต์/101 A และ R_DS(ON)เพียง 1.8 mΩ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน DC-DC ความถี่สูงตั้งแต่ 40 ถึง 60 โวลต์และมอเตอร์ไดรฟ์ BLDC 48 โวลต์ ตรงกันข้ามกับบรรจุภัณฑ์แบบดายที่มีแท่งบัดกรีที่ใช้สำหรับ EPC2065 GaN FET นี้บรรจุอยู่ในแพ็คเกจ QFN ที่มีความเหนี่ยวนำต่ำ ขนาด 3 × 5 มม. พร้อมด้านบนแบบเปลือยเพื่อการจัดการระบายความร้อนที่เหนือกว่า

ความต้านทานความร้อนที่ด้านบนเคสต่ำเพียง 0.2°C ต่อวัตต์ ส่งผลให้มีพฤติกรรมระบายความร้อนที่ดีเยี่ยมและลดความท้าทายในการระบายความร้อน ด้านบนแบบเปลือยช่วยเพิ่มการจัดการระบายความร้อนจากด้านบน ในขณะที่ด้านข้างสามารถเปียก เพื่อรองรับพื้นผิวของแผ่นด้านข้างทั้งหมดจะเปียกไปด้วยสารบัดกรีในระหว่างกระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์ ซึ่งจะช่วยปกป้องทองแดงและช่วยให้สามารถบัดกรีบนพื้นที่ด้านข้างด้านนอกได้ เพื่อการตรวจสอบด้วยแสงที่ง่ายดาย

ขนาดของ EPC2302 นั้นน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของขนาดมอสเฟต ซิลิคอนที่ดีที่สุดในระดับเดียวกันที่มี R_DS(on) ใกล้เคียงกัน และพิกัดแรงดันไฟฟ้า ในขณะที่ Q_G และ Q_GD มีขนาดเล็กลงอย่างมาก และ Q_RR เป็นศูนย์ ส่งผลให้สูญเสียการสวิตชิ่งน้อยลงและสูญเสียไดรเวอร์เกตน้อยลง EPC2302 ทำงานโดยมีเดดไทม์สั้นน้อยกว่า 10 นาโนวินาที (ns) เพื่อประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ในขณะที่ค่า QQ_RR เป็นศูนย์ เพิ่มความน่าเชื่อถือและลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)

ในการใช้ EPC2302 นั้น บอร์ดประเมินการจัดการพลังงานของตัวควบคุมมอเตอร์/ไดรเวอร์ EPC9186KIT รองรับมอเตอร์สูงถึง 5 kW และสามารถส่งกระแสได้สูงสุด 150 A_RMS และ 212 A_PEAK กระแสไฟขาออกสูงสุด (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ด้านบน (ซ้าย) และด้านล่าง (ขวา) ของบอร์ดประเมินผล EPC9186KIT 5 kW สำหรับ EPC2302 (แหล่งที่มาภาพ: EPC)

เพื่อให้ได้พิกัดกระแสที่สูงขึ้น EPC9186KIT ใช้ GaN FET แบบขนานสี่ตัวต่อตำแหน่งสวิตช์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความง่ายในการใช้แนวทางนี้เพื่อเข้าถึงระดับกระแสที่สูงขึ้น บอร์ดรองรับความถี่การสลับ PWM สูงถึง 100 kHz ในการใช้งานมอเตอร์ไดรฟ์ และมีฟังก์ชันที่สำคัญทั้งหมดเพื่อรองรับอินเวอร์เตอร์มอเตอร์ไดรฟ์ที่สมบูรณ์ รวมถึงไดรเวอร์เกต อุปกรณ์จ่ายไฟดูแลทำความสะอาดเสริมที่ได้รับการควบคุม การตรวจจับแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิ การตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่แม่นยำ และฟังก์ชันการป้องกัน

สรุป

มอเตอร์อินเวอร์เตอร์เป็นตัวเชื่อมที่สำคัญระหว่างแหล่งพลังงานพื้นฐานและมอเตอร์ การออกแบบอินเวอร์เตอร์ที่มีขนาดเล็กลง ประสิทธิภาพสูงขึ้น และมีประสิทธิภาพสูงขึ้นเป็นวัตถุประสงค์ที่สำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในขณะที่นักออกแบบมีทางเลือกในเทคโนโลยีกระบวนการสำหรับอุปกรณ์สวิตช์ไฟที่สำคัญที่อินเวอร์เตอร์ระดับกลางใช้ อุปกรณ์ GaN เช่นอุปกรณ์จาก EPC เป็นตัวเลือกที่ต้องการ