การเพิ่มประสิทธิภาพตัวควบคุมพลังงานในการควบคุมมอเตอร์อุตสาหกรรมด้วยโมดูล GMR10Dx สำหรับโซลูชันไบอัสหลายเฟส

บทความนี้กล่าวถึงความท้าทายในการออกแบบและข้อควรพิจารณาหลักที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาตัวควบคุมไฟฟ้าหลายเฟสที่เชื่อถือได้และปลอดภัย ซึ่งจะช่วยยกระดับโมดูล GMR10Dx ตัวแปลง DC/DC แบบแยกที่มีเอาต์พุตแบบจุดทศนิยมจับคู่กับโมดูลกำลังขับเคลื่อนเกตสวิตช์แบนด์แก๊ปคู่แบบรวมสูงของ Ganmar Technologies การออกแบบและการผลิตโมดูลเหล่านี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อตอบสนองความต้องการของระบบในด้านความน่าเชื่อถือ, ความปลอดภัย, EMI และการจัดการความร้อน

ตัวอย่างระบบประกอบจะนำเสนอโดยแสดงให้เห็นอินพุตไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสที่จ่ายไฟให้กับสเตจการแก้ไขค่ากำลังไฟฟ้า (PFC) ตามด้วยโหลดหนักที่ควบคุมด้วยมอดูเลชันความกว้างพัลส์ (PWM) เช่น มอเตอร์ระดับอุตสาหกรรม การออกแบบเน้นไปที่การขับเคลื่อนสวิตช์ GaN แรงดันสูงโดยเฉพาะจาก Infineon (เดิมชื่อ GaN Systems) มอบโซลูชันวงจรที่ใช้งานได้จริง ได้มีการกล่าวถึงข้อจำกัดในวิธีการดั้งเดิมในการขับสวิตช์โทเท็มโพลแบบฮาล์ฟบริดจ์ (HB) และได้มีการสำรวจทางเลือกอื่นๆ ในการควบคุมสวิตช์ทั้งบนและล่าง มีการนำเสนอการออกแบบวงจรภาคปฏิบัติเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้และปลอดภัยพร้อมลดความต้องการพื้นที่ให้เหลือน้อยที่สุด นอกจากนี้ยังครอบคลุมการตรวจจับกระแสแบนด์วิดท์สูงที่มีการสูญเสียต่ำเพื่อลดความซับซ้อนของกระบวนการออกแบบอีกด้วย

สภาพแวดล้อมการออกแบบในปัจจุบันนำเสนอความท้าทายมากมาย เช่น ความจำเป็นในการใช้ฮาร์ดแวร์ที่กะทัดรัด การใช้พลังงานที่ลดลงเพื่อการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้นด้วยการจัดการความร้อนที่เหมาะสมที่สุด และโซลูชันที่คุ้มต้นทุน สิ่งเหล่านี้มีความซับซ้อนมากขึ้นเนื่องจากมีงบประมาณที่จำกัดและระยะเวลาในการพัฒนาที่สั้นลง เพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ บทความนี้จะแนะนำระบบย่อยมาตรฐานและองค์ประกอบพื้นฐานที่ช่วยให้ทีมออกแบบใช้ประโยชน์จากความเชี่ยวชาญและการปฏิบัติตามข้อกำหนดของผู้ให้บริการระบบย่อย

บทความนี้นำเสนอโซลูชันที่ดีที่สุดสำหรับความท้าทายในการออกแบบเหล่านี้ โดยการใช้ตัวแปลงพลังงานและโมดูลอินเทอร์เฟซของ Ganmar Technologies ซึ่งโมดูลที่จัดให้มีขึ้นจะช่วยให้การพัฒนาระบบไดรฟ์เกตหลายเฟสมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ปัจจัยรูปแบบมาตรฐานช่วยรักษาพื้นที่ที่มีค่าบนเมนบอร์ด

การออกแบบตัวควบคุมไฟฟ้าไบอัสสำหรับระบบไฟฟ้าแรงสูง 3 เฟสทั่วไปโดยใช้ GMR10Dx

หัวข้อนี้จะสรุปข้อควรพิจารณาในการออกแบบเพื่อสร้างตัวควบคุมไฟฟ้าไบอัสในระบบแรงดันไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าสูงโดยใช้โมดูลตัวแปลง DC/DC GMR10Dx ร่วมกับไฟฟ้าไบอัสโฟลตติ้งเกตไดรฟ์ที่ให้มาโดยโมดูล GMR04B00x ตามที่แสดงในรูปที่ 1a ระบบอาจรวมถึงโหลดหนักที่ควบคุมด้วย PWM เช่น มอเตอร์อุตสาหกรรม โดยรวมสวิตช์หลายตัว และต้องการแรงดันไฟฟ้าอคติหลายตัวสำหรับบล็อกฟังก์ชันที่แตกต่างกัน ด้านล่างนี้เป็นข้อสันนิษฐานที่สำคัญสำหรับการออกแบบ:

• ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับ EMI: ระบบจำเป็นต้องมีค่ากำลังไฟฟ้าที่ใกล้เคียงค่าเท่ากับหนึ่ง จึงจำเป็นต้องใช้ PFC
• Start-up Logic: PFC มีโปรเซสเซอร์ซึ่งต้องใช้ลอจิกการเริ่มต้นอิสระสำหรับตัวแปลงไบอัส
• การสูญเสียพลังงาน: การลดการสูญเสียพลังงานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของตัวควบคุมถือเป็นสิ่งสำคัญต่อความน่าเชื่อถือและการลดความซับซ้อนของข้อกำหนดของระบบระบายความร้อน
• การใช้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป: การออกแบบนี้เพิ่มประสิทธิภาพการใช้ส่วนประกอบที่มีอยู่ให้สูงสุด

รูปที่ 1a แสดงการกำหนดค่าระบบโดยรวมเพื่อใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงในการออกแบบในขั้นตอนต่อไป

รูปที่ 1a: ระบบควบคุมโหลดสูงในอุตสาหกรรมที่มีไบอัสและสตาร์ทอัพ (แหล่งที่มาภาพ: Ganmar Technologies)

อ้างอิงจากแผนผังบล็อกในรูปที่ 1a ส่วนนี้จะเน้นที่การออกแบบ Bias Power Controller และการบูรณาการกับระบบโดยรวม โดยมีการพิจารณาตัวเลือกการออกแบบสำหรับแต่ละฟังก์ชัน ไม่รวม PFC และตัวควบคุม PWM เนื่องจากจำเป็นต้องมีข้อมูลที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นเกี่ยวกับข้อกำหนดของอินเทอร์เฟซระบบเพื่อจัดการกับฟังก์ชันเหล่านี้อย่างทั่วถึง ดังนั้นบทความนี้จะไม่ครอบคลุมส่วนประกอบดังกล่าวโดยละเอียด สันนิษฐานว่าระบบใช้สวิตช์ GaN แรงดันสูง เช่น GS66516T จาก Infineon ถึงแม้ว่าจะมีการหารือถึงข้อควรพิจารณาสำหรับเทคโนโลยีสวิตช์ทางเลือก เช่น SiC หรือสวิตช์ไบโพลาร์ก็ตาม

นอกจากนี้ บทความนี้จะจัดแสดงโมดูลไดรเวอร์เกตลอยแบบขับเคลื่อนด้วยตัวเองที่มีการบูรณาการอย่างสูงจาก Ganmar Technologies โดยเฉพาะ GMR04B00x เครื่องหมาย “x” ในหมายเลขรุ่นระบุตัวเลือกชิปไดรเวอร์เกตคู่ที่มีจำหน่าย ดูข้อมูลจำเพาะและตัวเลือกโดยละเอียดได้ในเอกสารข้อมูลจำเพาะ GMR04B00x

ตัวควบคุมไฟไบอัส

ตัวควบคุมไฟไบอัสได้รับการออกแบบมาเพื่อป้องกันไฟตกสำหรับค่าอินพุตไฟฟ้ากระแสสลับต่ำ (UVLO) และจะปิดโดยไม่ล็อกหากอินพุตไฟฟ้ากระแสสลับเกินขีดจำกัดสูงสุดที่ตั้งไว้ (OVLO) เมื่ออินพุต AC อยู่ในค่าการทำงานที่ปลอดภัย โมดูล GRM10Dx จะสร้างเอาต์พุต DC แบบแยกที่แรงดันไฟฟ้าทั่วไป โดยทั่วไปคือ 6 V และ 22 V ในระบบขนาดใหญ่อาจต้องใช้รูปแบบแรงดันไฟฟ้าเพิ่มเติม รูปที่ 1b แสดงการกำหนดค่าทั่วไปในการรับแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ ใช้เอาท์พุตพลังงานต่ำ 5 V เพื่อจ่ายไฟให้กับชิปไดรเวอร์เกตคู่ในโมดูล GMR04B00x โดยเฉพาะ Analog Devices ADUM7223 ดูเอกสารข้อมูล GMR04B00x เพื่อดูตัวเลือกอื่นๆ ที่มีให้เลือก

รูปที่ 1b: รูปแบบวงจรประกอบทั่วไปที่ได้มาจาก GMR10Dx (แหล่งที่มาภาพ: Ganmar Technologies)

โมดูล GMR04B00x จ่ายไฟภายในให้กับด้านโฟล์ตติ้งเพื่อให้มีแรงดันไบอัส 12 V จำนวน 2 แรงดัน ด้านสูง 12 V (12VH) ทำให้ไดรเวอร์เอาต์พุต VIA สำหรับสวิตช์ไฟบนเกิดไบอัส โดยที่ระดับไดรฟ์เกตอยู่ที่ +5.6 V/-5.6 V เทียบกับโหนด HBU การกำหนดค่าไดรฟ์แยกแบบเดียวกันนี้จะถูกใช้กับวงจรเฟส V และ W

สำหรับสวิตช์ด้านล่าง จะมีการสร้าง 12VL แยกต่างหากภายในโดยโมดูล GMR04B00x ซึ่งสามารถอ้างอิงกับโหนดส่งคืนพลังงานด้านต่ำของขั้วใดก็ได้ ตัวอย่างเช่นเอาต์พุต VIB ของ ADUM7223 จะถูกแบ่งเป็น +5.6 V/-5.6 V โดยเครือข่ายสปลิตเตอร์ เพื่อให้แน่ใจว่าสวิตช์ GaN ที่ต่ำกว่าทำงานได้อย่างถูกต้อง

สำหรับสวิตช์ SiC โมดูล GMR04B00x เวอร์ชันอื่นจะจ่ายไฟ 15 V, 18 V หรือ 22 V ซึ่งสามารถตั้งค่าจากโรงงานเพื่อให้เหมาะกับสวิตช์ SiC กำลังสูงต่างๆ ได้ เอาต์พุตของวงจรแยกจะให้ค่าไบอัสแบบจุดลอยตัว ± เพื่อขับเคลื่อนสวิตช์ซิลิกอนคาร์ไบด์ทั้งด้านสูงและด้านต่ำเมื่อเทียบกับโหนดบน HBU/V/W และในทำนองเดียวกันสำหรับโหนดล่างที่มีขั้วใดๆ ก็ตาม ดูเอกสารข้อมูล GMR04B00x เพื่อดูตัวเลือกที่มี

ส่วนตัวควบคุมพลังงานไบอัส พร้อมกับ LDO ที่แสดงในรูปที่ 1b จ่ายพลังงานให้กับโมดูลอินเทอร์เฟซ GRM04B00x อีกสองตัวที่เชื่อมต่อโดยตรงกับเกตที่โหนด V และ W นอกจากนี้เอาต์พุต 22 V สามารถจ่ายไฟให้กับตัวควบคุมแอนะล็อก ส่วนดิจิตอล และชิป I/O บนบอร์ดของผู้ใช้ผ่าน LDO ได้ สำหรับความต้องการพลังงานที่สูงขึ้น ผู้ใช้สามารถดูหมายเหตุการใช้งานเพื่อขอคำแนะนำในการเชื่อมต่อแบบขนานกับโมดูล GMR10Dx

ปัญหาการสตาร์ทอัพ

การจัดหาแหล่งจ่ายไฟที่เสถียรให้กับโปรเซสเซอร์ดิจิทัลก่อนที่จะใช้งานได้ถือเป็นสิ่งสำคัญ ต้องใช้การควบคุมไบอัสจากแหล่งจ่ายไฟที่เป็นอิสระจาก PFC วงจรแปลงพลังงาน Ganmar ใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟ AC สูงถึง 18 วัตต์ ซึ่งส่งผลต่อความสัมพันธ์ของเฟสของอินพุต AC เพียงเล็กน้อย โมดูล GMR10DX รองรับช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต 100 V_DC ถึง 320 V_DC ครอบคลุมช่วงการใช้งานทั่วไปแบบออฟไลน์

สำหรับแรงดันไฟฟ้าแหล่งกำเนิดที่สูงกว่าที่มักพบในการใช้งานกำลังไฟสูง โดยที่เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าอาจสร้างแรงดันไฟฟ้าได้สูงถึง 380 V โปรดปรึกษาฝ่ายสนับสนุนทางเทคนิคของ Ganmar สำหรับตัวเลือกอื่นภายในซีรีย์ GMR10Dx

รูปที่ 2 แสดงวงจรเรียงกระแสแบบสะพาน 6 ไดโอดทั่วไปที่เหมาะสำหรับการสตาร์ทระบบด้วยโมดูลนี้ เมื่ออินพุต AC เกินประมาณ 42 V_RMS (60 Hz หรือ 400 Hz) ส่งผลให้มีแรงดันไฟฟ้า 200 V_DC เอาต์พุตจากบริดจ์ด้วยตัวเก็บประจุขนาดเล็ก 10 µF โดยโมดูลจะเริ่มผลิตเอาต์พุตด้วยความล่าช้าสูงสุด 70 มิลลิวินาทีภายใต้สภาวะโหลดต่ำ ความล่าช้านี้ถือว่ายอมรับได้ เนื่องจากไม่มีบล็อกระบบอื่นใดที่ใช้พลังงานในระหว่างการเริ่มต้นทำงาน

ระหว่างเหตุการณ์ชั่วคราว หากอินพุต AC ทำให้เอาต์พุตของตัวแปลงกระแสไฟฟ้าแบบบริดจ์ไดโอด 6 ตัวเกินช่วงการทำงานที่ปลอดภัยของโมดูลตัวแปลง โมดูลจะปิดลงจนกว่าแรงดันไฟฟ้าที่แปลงแล้วจะกลับมาอยู่ในระดับที่ปลอดภัย นอกจากนี้ คุณสมบัติการป้องกันไฟตกเนื่องจากแรงดันไฟต่ำจะทำงานหากแรงดันไฟฟ้าที่แก้ไขแล้วลดลงต่ำกว่า 100 โวลต์

รูปที่ 2: ใช้กำลังไฟฟ้าสูงสุด 18 W จากอินพุต AC โดยตรงเพื่อสตาร์ทอัพและการสร้างไบอัส (แหล่งที่มาภาพ: Ganmar Technologies)

การกรองอินพุต

โมดูลการสวิตช์ไฟฟ้า เช่น GRM10Dx มีลักษณะความต้านทาน "เชิงลบ" ต่อแหล่งจ่ายไฟอินพุต คุณลักษณะนี้จำเป็นต้องมีการออกแบบตัวกรองอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจถึงความเสถียรที่อินเทอร์เฟซ แม้ว่าการออกแบบรายละเอียดของตัวกรองอินพุตจะครอบคลุมอย่างครอบคลุมในรายงานและเอกสารเผยแพร่ต่างๆ แต่บทความนี้ให้ภาพรวมสั้นๆ เกี่ยวกับคุณลักษณะอินพุตของโมดูล GRM10Dx

สำหรับโหลดกำลังคงที่ 15 W ทั่วไปอันเกิดจากการขับเคลื่อน GaN ด้วยแรงดันไฟฟ้าของเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า 200 V และประสิทธิภาพ 0.85 อิมพีแดนซ์เทียบเท่าจะคำนวณได้เป็น |200²/(15/η)| ส่งผลให้มีค่าประมาณ 3.14 kΩ ค่าอิมพีแดนซ์นี้ค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับค่าอิมพีแดนซ์ของแหล่งกำเนิด จึงทำให้สามารถบายพาสตัวกรองที่จำเป็นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ขอแนะนำให้ติดตั้งตัวเก็บประจุลดแรงสั่นสะเทือน 10 µF/400 V ไว้ใกล้กับโมดูล GRM10Dx ซึ่งโมดูลนี้ประกอบด้วยตัวเก็บประจุ 0.47 µF เพื่อจัดการกับกระแสไฟสูงสุดทันทีจากการสวิตช์ภายใน ค่าความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR) ของตัวเก็บประจุภายนอกไม่ใช่สิ่งสำคัญ โดยต้องให้ตัวกรอง PFC หลักมีการหน่วงที่เพียงพอ

Ganmar Technologies ยังนำเสนอโมดูลวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์อินพุต AC รุ่นเก่าพร้อมฟิวส์และฟิลเตอร์ EMI เพื่อการบูรณาการที่ง่ายดายกับโมดูล GRM10Dx สิ่งนี้ทำให้กระบวนการเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ AC ง่ายขึ้น สำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับการรวมโมดูลนี้ โปรดติดต่อฝ่ายสนับสนุนทางเทคนิคของ Ganmar

การกำหนดไบอัสของไดรเวอร์

รูปที่ 3 และ 4 แสดงแผนผังและภาพถ่ายของ GMR10D000 โมดูลตัวแปลง DC/DC แบบแยกที่สามารถจ่ายไฟได้ 15 วัตต์พร้อมเอาต์พุตคู่ V_OUT1 โดยทั่วไปจะให้ 6.5 V ที่ 3 W ในขณะที่ V_OUT2 ให้กำลังไฟ 22 V ที่ 12 W เอาต์พุตทั้งสองจะถึงสถานะคงที่ภายใน 10 มิลลิวินาที หัวข้อนี้จะอธิบายวิธีการเชื่อมต่อฟังก์ชันต่างๆ ตามที่แสดงในรูปที่ 1 เข้ากับอุปกรณ์ GMR10Dx เพื่อให้ได้ฟังก์ชันการทำงานและประสิทธิภาพตามต้องการ

รูปที่ 3 : การเชื่อมต่อ 3 เฟส (แหล่งที่มาภาพ: Ganmar Technologies)

รูปที่ 4: โมดูล GMR10D000 (แหล่งที่มาภาพ: Ganmar Technologies)

รูปที่ 5 แสดงให้เห็นการเชื่อมต่อโมดูลของโมดูล GMR10Dx หลายโมดูลเพื่อให้ทำงานของตัวควบคุมไฟไบอัส ในส่วนนี้จะมีคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับการใช้ GMR04B008 ในบริบทของบล็อก HS-U โมดูลอื่นๆ ทั้งสองสามารถจำลองได้อย่างง่ายดายโดยเชื่อมต่อผลตอบแทนอ้างอิงที่สอดคล้องกับโหนดที่เกี่ยวข้อง

รูปที่ 5: แผนผังฟังก์ชันด้านการขับเคลื่อนโมดูล (แสดงด้วย GMR10D005) (แหล่งที่มาภาพ: Ganmar Technologies)

รูปที่ 6 แสดงให้เห็นความพร้อมใช้งานของพลังงาน 22 V เมื่อเทียบกับโหนด GNDS "กราวด์" ที่มีการอ้างอิงกันทั่วไป

รูปที่ 6: แผนผังภายใน GMR04B00x พร้อมกำลังโฟล์ตติ้งเกตและระบบขับเคลื่อนโดยตรง (แหล่งที่มาภาพ: Ganmar Technologies)

ข้อกำหนดอินเทอร์เฟซสเตจกำลัง

ตามที่แสดงในรูปที่ 6 โดยทั่วไปแนะนำให้ใช้แรงดันไฟฟ้าไบอัสลบเพื่อปิดอุปกรณ์ไฟฟ้า GaN ในระบบ GaN โดยเฉพาะในระบบโทโพโลยีแบบฮาร์ดสวิตชิ่งที่กระแสไฟฟ้าเกิน 30 A รูปที่ 7 แสดงแผนภาพประกอบ (ขอขอบคุณ Infineon Webinar) เพื่อสาธิตแนวทางนี้

รูปที่ 7: ผลของ V_EE เกี่ยวกับการปิดไดนามิก (แหล่งรูปภาพ: Infineon)

การใช้งานและคุณลักษณะการเปิด/ปิด การนำตัวแยกสัญญาณของโมดูลมาใช้กับอุปกรณ์ Infineon ช่วยให้มั่นใจถึงแรงดันไฟฟ้าเปิดและปิดที่มีประสิทธิภาพในขณะที่ลดการสูญเสียจากการเปลี่ยนสถานะให้น้อยที่สุด รูปแบบคลื่นไดรฟ์แยกและ GS66xx ของ Infineon การออกแบบช่วยเพิ่มประสิทธิภาพควบคู่ไปกับการออกแบบหม้อแปลงที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งช่วยลดจุดสูงสุดของเสียงริงก์ในระหว่างกระบวนการปิด GS66xx

เปิด/ปิด

หากต้องการเปิดใช้งานแบบสมบูรณ์ จำเป็นต้องใช้ไดรฟ์เกต 5.6 V พร้อมเหนี่ยวนำแฝงและการเชื่อมต่อแบบเก็บประจุขั้นต่ำระหว่างโหนดและรอยทางในการสวิตช์ที่ละเอียดอ่อน การปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้จำหน่าย GaN สำหรับการวางและการเดินสายวงจรที่เหมาะสมถือเป็นสิ่งสำคัญ

ในระหว่างการปิดเครื่อง แรงดันไฟฟ้าเกตและซอร์ส (V_GS) ควรต่ำกว่าค่าแรงดันเกณฑ์ (V_TH) โดยมีระดับอ้างอิงประมาณ 0 V ในวงจรที่กล่าวถึงที่นี่ บทความนี้พิจารณาว่ามีการใช้ไอซีไดรเวอร์เกต ADUM7223 จาก Analog Devices สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือเอาต์พุตของไดรเวอร์ Under Voltage Lockout (UVLO) คือ 5 V ซึ่งเหมาะสำหรับไดรฟ์เกต 5.6 V ที่อุปกรณ์ GaN ต้องการ การสูญเสียพลังงานโดยไดรเวอร์สำหรับ GaN นี้สามารถคำนวณได้โดยใช้เอกสารข้อมูลของไดรเวอร์:

โดยถือว่ามีการสวิตช์ 250 kHz และค่าด้านล่าง A P_D สามารถคำนวณได้ดังนี้:

การกำหนดค่าไดรเวอร์ส่งผลให้มีการสูญเสียพลังงาน 100 mW ซึ่งอยู่ในขีดความสามารถของโมดูล GMR10Dx และ GMR04B00x โมดูล GMR10Dx สามารถจ่ายพลังงานได้มากกว่าที่ไดรเวอร์ต้องการอย่างมาก ช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะมีแหล่งจ่ายไฟที่ทนทานต่อการทำงาน

การตั้งค่า HV GaN สำหรับไดรเวอร์

โมดูล GMR10Dx จ่ายแรงดันไฟฟ้าไบอัสที่จำเป็นสำหรับไดรเวอร์ GaN ทั้งตัวบนและตัวล่างในรูปแบบ Half-Bridge (HB) รูปที่ 8 แสดงการเชื่อมต่อไดรเวอร์ GaN จากตัวแยกสัญญาณ

การอ้างอิงค่าไบอัสที่ถูกต้องถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อป้องกันพฤติกรรมการสวิตช์ที่ไม่แน่นอนและความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับอุปกรณ์ GaN ผู้ใช้ควรปฏิบัติตามแนวปฏิบัติและคำแนะนำที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูล GaN และหมายเหตุการใช้งานที่เฉพาะเจาะจงเพื่อให้แน่ใจว่าใช้งานได้ถูกต้องและปลอดภัย สามารถดูคำแนะนำเพิ่มเติมได้ในเอกสารสรุปการใช้งานของเอกสารข้อมูลโมดูล GMR04Bx Dual Direct Driver Integrated

รูปที่ 8: การจัดเรียงเสาโทเท็มและการกำหนดค่าฮาล์ฟบริดจ์แบบคลาสสิกโดยมีการเชื่อมต่อไดรฟ์แยกโดยตรงกับสวิตช์ GaN (แหล่งที่มาภาพ: Ganmar Technologies)

โมดูล GMR04B00x จ่ายแรงดันโฟล์ตติ้งไบอัสที่จำเป็นสำหรับไดรเวอร์สวิตช์เกต GaN ด้านบน โดยไม่จำเป็นต้องใช้วงจรเพิ่มเติม เช่น ตัวเก็บประจุบูตสแตรปแบบบินได้ เพื่อสร้างแรงดันไฟไบอัสที่ต้องการ

ด้วยโมดูล GMR04B00x แรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์เกตลอยสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับเกตของสวิตช์ GaN ทั้งบนและล่าง ช่วยให้ไดรฟ์เกตมีเสถียรภาพ ±5.6 V แนวทางนี้ช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบโดยไม่ต้องให้ตัวควบคุมสลับอุปกรณ์ส่วนล่างเพื่อสร้างไบอัสสำหรับไดรเวอร์เกตด้านบน

การใช้โมดูล GMR04B00x ช่วยให้สามารถบรรลุแรงดันไฟฟ้าไดรฟ์เกตตามต้องการสำหรับสวิตช์ GaN ทั้งบนและล่าง โดยไม่ต้องมีความซับซ้อนและมีส่วนประกอบเพิ่มเติมที่จำเป็นสำหรับวิธีการเพิ่มแรงดันแบบอื่น

แผนการบูตสแตรปแบบเดิมดังที่แสดงในรูปที่ 9 มีข้อเสียหลายประการ รวมถึงความจำเป็นสำหรับส่วนประกอบเพิ่มเติม เช่น ไดโอดและตัวเก็บประจุแบบไม่มีขั้ว ซึ่งอาจต้องมีการปรับค่าตามข้อกำหนดเฉพาะของ GaN หรืออุปกรณ์อื่น ปัญหาในการเริ่มต้นธุรกิจและการขาดอคติที่เข้มงวดถือเป็นข้อกังวลสำคัญในการดำเนินการตามแนวทางนี้ นอกจากนี้ แผนการบูตสแตรปแบบเดิมไม่เข้ากันกับโหนด HB ไบโพลาร์

รูปที่ 9: แผนภาพไบอัสเกตโฟล์ตติ้งไดรเวอร์แบบเดิม (แหล่งที่มาภาพ: Ganmar Technologies)

ในทางตรงกันข้าม การจัดวางที่กะทัดรัดของโมดูล GMR10Dx และ GMR04B00x พร้อมกับส่วนขยายที่เกี่ยวข้องนั้น เน้นย้ำถึงข้อได้เปรียบด้านการประหยัดพื้นที่ ซึ่งทำให้เป็นโซลูชันที่ใช้งานได้จริงสำหรับการใช้งานที่ต้องการการสร้างไบอัสที่มีประสิทธิภาพและการอ้างอิงที่ถูกต้อง

การตรวจจับกระแสไฟฟ้า

รูปที่ 10 และรูปที่ 11 แสดงให้เห็นการผสานรวมการตรวจจับกระแสไฟฟ้าโดยใช้ตัวต้านทานชันท์กับโมดูล GMR10Dx และ GMR04B00x ตัวต้านทานแบบชันท์มักใช้เพื่อวัดและตรวจสอบกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจร การวางตัวต้านทานเหล่านี้ในตำแหน่งที่เหมาะสมในเส้นทางกระแสไฟฟ้า จะทำให้สามารถวัดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานได้ และนำไปใช้คำนวณกระแสไฟฟ้าได้

ในบริบทของโมดูล GMR ตัวต้านทานแบบตรวจจับกระแสจะเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับโหลดหรือโมดูลตรวจจับกระแสแยกแบนด์วิดท์สูง รูปแบบนี้ช่วยให้การตรวจจับและการตรวจสอบกระแสไฟฟ้าแม่นยำ โมดูล GMR ให้แรงดันไฟและกำลังไฟไบอัสโฟล์ตติ้งหรืออ้างอิงกราวน์ที่จำเป็นเพื่อรองรับระบบการตรวจจับกระแสไฟฟ้า รับประกันการวัดที่เชื่อถือได้และแม่นยำ

การรวมการตรวจจับกระแสไฟฟ้าเข้าไว้ในการออกแบบระบบช่วยให้ผู้ใช้สามารถรวบรวมข้อมูลอันมีค่าเกี่ยวกับระดับกระแสไฟฟ้าและตรวจสอบประสิทธิภาพของวงจรหรือระบบได้ สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการใช้งานที่ต้องการการควบคุมหรือการป้องกันกระแสไฟฟ้าที่แม่นยำ เช่น การควบคุมมอเตอร์ ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง หรือระบบพลังงานหมุนเวียน

รูปที่ 10: การตรวจจับกระแสตัวต้านทานชันท์แบบเดิม (แหล่งที่มาภาพ: Ganmar Technologies)

รูปที่ 11: การตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่ไม่สูญเสียพลังงาน GMRCS000 (แหล่งที่มาภาพ: Ganmar Technologies)

Ganmar Technologies นำเสนอโมดูล GMRCSN000 และ GMRCSP000 ในรูปแบบโซลูชันเซนเซอร์กระแสไฟฟ้าแบบกะทัดรัด แยกส่วน และไม่กระจายกระแสไฟ โมดูลเหล่านี้มีการตรวจจับกระแสไฟฟ้าแบบแยกแบนด์วิดท์สูงโดยไม่ต้องใช้ตัวต้านทานแบบชันท์เพิ่มเติมในเส้นทางกระแสไฟฟ้า วิธีนี้ช่วยลดการสูญเสียพลังงานและทำให้การออกแบบง่ายขึ้น

โมดูล GMRCSN000 และ GMRCSP000 ตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจรและมีขั้วเอาต์พุต 2 ขั้ว ได้แก่ 0 ถึง +Vsense และ -Vsense ถึง 0 ช่วงเอาต์พุตเหล่านี้เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อโดยตรงกับ ADC (ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล) ของตัวควบคุมแบบฝังตัว หรือสำหรับตัวควบคุมแอนะล็อกที่ใช้ในการใช้งาน PFC แบบไม่มีบริดจ์

การใช้โมดูล GMRCSN000 หรือ GMRCSP000 ช่วยลดความซับซ้อนในการตรวจจับกระแสไฟฟ้า ประหยัดพื้นที่บอร์ดที่มีค่า และรับรองการวัดกระแสไฟฟ้าที่แม่นยำและแยกส่วน หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโมดูลเหล่านี้และหมายเลขชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้อง โปรดติดต่อฝ่ายสนับสนุนด้านเทคนิคของ Ganmar Technologies เพื่อขอความช่วยเหลือและคำแนะนำการผสานรวมโดยละเอียด

สรุป

บทความนี้มีรายละเอียดเกี่ยวกับแนวทางการออกแบบอย่างครอบคลุมสำหรับการเริ่มระบบและการกำหนดไบอัสโดยใช้โมดูล GMR10Dx และ GMR04B00x ร่วมกับสวิตช์ GaN แรงดันไฟฟ้าสูงและกำลังไฟสูง โดยเน้นไปที่สวิตช์ GaN จาก Infineon ซึ่งมักใช้ในการใช้งานต่างๆ เช่น มอเตอร์ 3 เฟส อินเวอร์เตอร์ 3 เฟส และเครื่องชาร์จ EV ระดับ 3

การออกแบบนี้มีข้อดีหลายประการเหนือวิธีการเดิมๆ รวมถึงความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้น ความกะทัดรัด และประสิทธิภาพ โมดูล GMR10Dx และ GMR04B00x มอบโซลูชันที่หลากหลายและแข็งแกร่งสำหรับการเริ่มระบบและการกำหนดไบอัส พร้อมทั้งให้การเชื่อมต่อโดยตรงกับเกตของสวิตช์เหล่านี้

นอกจากนี้ บทความยังได้แนะนำโมดูล GMRCSN000 และ GMRCSP000 ซึ่งเป็นโซลูชันการตรวจจับกระแสไฟฟ้าแบบไม่สูญเสียพลังงานแบบกะทัดรัด พร้อมด้วยความสามารถในการส่งออกที่ยืดหยุ่น โมดูลเหล่านี้ช่วยลดความซับซ้อนในการใช้งานการตรวจจับกระแสไฟฟ้า และให้การวัดกระแสไฟฟ้าที่แยกไว้อย่างแม่นยำ

สำหรับลูกค้าที่สนใจในการนำการออกแบบเหล่านี้ไปใช้งานกับส่วนประกอบ แผนผัง BOM และเค้าโครง (ถ้ามี) ของ Ganmar Technologies จะมีอยู่ในรูปแบบ Altium ที่เข้ากันได้กับ KiCad หากต้องการหารือเพิ่มเติม สอบถามราคา และความพร้อมใช้งาน โปรดติดต่อฝ่ายสนับสนุนด้านเทคนิคหรือทีมขายของ Ganmar Technologies

การใช้ประโยชน์จากแนวทางการออกแบบและโซลูชันที่นำเสนอในบทความนี้ ช่วยให้นักออกแบบสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบที่ใช้สวิตช์ GaN ได้อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ พวกเขายังสามารถได้รับประโยชน์จากความเชี่ยวชาญและการสนับสนุนที่มอบให้โดย Ganmar Technologies