Como integrar os estágios de potência de GaN para sistemas eficientes de propulsão em motores BLDC alimentados por bateria

Aplicações alimentadas por bateria, tais como robôs colaborativos (cobots), bicicletas elétricas, drones industriais e ferramentas elétricas, requerem motores elétricos leves e potentes com um pequeno fator de forma. Os motores CC sem escovas (BLDC) são uma boa opção, mas a eletrônica de acionamento do motor é bastante complexa, com muitas considerações de projeto. O projetista deve regular firmemente o torque, a velocidade e a posição, ao mesmo tempo em que garante alta precisão com o mínimo de vibração, ruído e radiação eletromagnética (EMR). Além disso, devem ser evitados dissipadores de calor volumosos e chicotes externos de fiação para poupar peso, espaço e custo.

Como muitas vezes acontece, o desafio para os projetistas torna-se um desafio de balancear as exigências do projeto com as pressões de tempo e orçamento — evitando ao mesmo tempo erros de desenvolvimento dispendiosos. Uma maneira de fazer isso é aproveitar as tecnologias de semicondutores rápidos e de baixa perda, como o nitreto de gálio (GaN), para os estágios de potência necessários para acionar os motores BLDC.

Este artigo discute as vantagens relativas dos estágios de potência baseados em GaN e introduz um dispositivo de amostra da EPC, implementado em uma topologia de meia ponte. Explica como utilizar os kits de desenvolvimento associados para iniciar rapidamente um projeto. No processo, os projetistas aprenderão como medir os parâmetros de um motor BLDC e operá-lo no controle de orientação de campo sem sensores (FOC) com o mínimo esforço de programação usando o pacote de desenvolvimento motorBench da Microchip Technology.

As vantagens do GaN

Para controlar eficientemente um motor BLDC em aplicações de bateria, os desenvolvedores precisam de um estágio acionador eficiente e leve com um fator de forma pequeno que possa ser implementado o mais próximo possível do atuador. Por exemplo, dentro da carcaça do motor.

Os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) são robustos e podem comutar alta potência até 100 megawatts (MW) a um máximo de 200 quilohertz (kHz), mas não são adequados para dispositivos que têm que gerenciar a carga da bateria em tensões de até 80 volts. A alta resistência de contato, o diodo de supressão e as perdas de chaveamento, bem como a cauda no gráfico de corrente durante o desligamento, tudo isso se combina para resultar em distorção do sinal, geração excessiva de calor e emissões espúrias.

Os transistores de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor (MOSFETs) comutam mais rapidamente e têm perdas ôhmicas e de chaveamento menores em comparação aos IGBTs, mas sua capacitância de porta requer um poderoso acionador de porta para operar em altas frequências de chaveamento. Ser capaz de operar em altas frequências é importante, pois significa que os projetistas podem usar componentes eletrônicos menores para reduzir os requisitos gerais de espaço.

Voltando-se para os transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs) em GaN, sua alta mobilidade de portadores lhes permite construir e romper junções semicondutoras extremamente rápidas e com baixas perdas. Um acionador de GaN integrado, como o EPC23102ENGRT da EPC, apresenta perdas de chaveamento excepcionalmente baixas e altas frequências de chaveamento, permitindo projetos de dispositivos compactos nos espaços mais apertados. O chip monolítico contém uma interface lógica de entrada com deslocadores de nível, carregamento do bootstrap e circuitos acionadores de porta que controlam os FETs de saída em GaN numa topologia de meia ponte (Figura 1). O invólucro do chip é otimizado para alta dissipação de calor e baixa indutância parasita.

Figura 1: O EPC23102 contém lógica de controle, deslocadores de nível, acionadores de porta e FETs de saída em GaN numa topologia de meia ponte (à esquerda). O invólucro do chip (à direita) é otimizado para alta dissipação de calor e baixa indutância parasita. (Fonte da imagem: EPC)

Menos calor desperdiçado e menos EMR

Os transistores de saída EPC23102 têm uma resistência de saturação típica de dreno-fonte (R_DS(on)) de 5,2 miliohms (mΩ) (a 25°C). Lidam com tensões de até 100 volts e correntes até um máximo de 35 ampères (A). Além disso, a estrutura lateral do dispositivo GaN e a ausência de um diodo intrínseco incorporado proporcionam uma carga na porta (Q_G) e carga de recuperação reversa (Q_RR) excepcionalmente baixas.

Em comparação com um dispositivo MOSFET com um R_DS(on) similar, o acionador de GaN atinge perdas de chaveamento até cinco vezes menores. Isto permite que um inversor baseado em GaN opere em frequências de modulação por largura de pulso (PWM) relativamente altas — até 3 megahertz (MHz) — e com tempo morto mais curto (abaixo de 50 nanossegundos (ns)).

As altas velocidades de chaveamento (dV/dt) e o baixo coeficiente de temperatura dos semicondutores de GaN em um design de invólucro com indutância parasita reduzida minimiza a distorção do sinal e, assim, minimiza as perdas de chaveamento e EMR. Isto reduz a necessidade de estratégias de filtragem, enquanto os menores capacitores e indutores de baixo custo economizam espaço na placa.

Além da baixa resistência de contato R_DS(on), as outras vantagens do dispositivo de GaN, como a alta condutividade térmica do substrato de GaN e a grande área de contato térmico do invólucro do componente, combinam-se para permitir que os estágios de potência em GaN comutem correntes de até 15 ampères (A) sem dissipador de calor (Figura 2).

Figura 2: Aumento de temperatura versus corrente de fase para um estágio de potência em GaN com temperatura ambiente de 25,5°C e em diferentes frequências PWM. (Fonte da imagem: EPC)

O EPC23102 também apresenta conversores de nível robustos a partir dos canais do lado de baixa ao lado de alta, que são projetados para operar sob condições de chaveamento suave e dura — mesmo em grandes tensões terminais negativas — e para evitar o disparo falso por transientes dV/dt rápidos, incluindo aqueles originados de fontes externas ou fases adjacentes. O circuito interno integra funções lógicas, carga de energia bootstrap e de desabilitação. As funções de proteção impedem a ativação indesejada dos FETs de saída, quando as tensões de alimentação são muito baixas ou até mesmo falham.

Um conjunto de avaliação do inversor do motor pronto para uso

A maneira mais fácil e rápida de colocar em funcionamento um motor BLDC de três fases com tecnologia de GaN é usar o kit de avaliação do inversor de motor EPC9176KIT da EPC. Consiste na placa inversora de motor EPC9176 e uma placa controladora do DSP. Também está incluído um simples adaptador de plugar do controlador EPC9147E para controle através de um controlador host específico do cliente. O conector de acoplamento carrega os seguintes sinais: 3 × PWM, 2 × codificador, 3 × U_fase, 3 × I_fase, U_CC, I_CC e 2 × LED de status.

Como projeto de referência, a placa inversora de motor EPC9176 facilita o projeto do circuito na empresa, enquanto a placa controladora EPC9147A, quando usada com o ambiente de desenvolvimento motorBench da Microchip Technology, permite que os usuários a coloquem rapidamente em funcionamento sem ter que gastar tempo codificando ou programando.

O inversor de motor BLDC de 3 fases integra três acionadores de meia ponte em GaN EPC23102, para controlar motores CA ou CC, e conversores de energia CC/CC. Com um R_DS(on) de 6,6 mΩ no máximo, o estágio de potência causa pouca perda de calor nas correntes de carga de até 28 A de pico (A_pk) ou 20 A eficazes, rms (A_RMS), em operação constante nas tensões de chaveamento de até 100 volts. Configurado para conversão CC/CC de várias fases, o EPC23102 suporta frequências de chaveamento PWM de até 500 kHz e até 250 kHz para aplicações de acionamento de motores.

A placa inversora de motor EPC9176 de 8,1 × 7,5 centímetros (cm) contém todos os circuitos funcionais críticos necessários para dar suporte a um inversor de motor completo, incluindo capacitores de barramento CC, acionadores de porta, tensões auxiliares reguladas, tensão de fase, corrente de fase e medição de temperatura, além de funções de proteção e filtros harmônicos ou EMR opcionais para cada fase (Figura 3).

Figura 3: O inversor de motor EPC9176 apresenta capacitores de barramento CC, acionadores de porta, um regulador de tensão, detecção de tensão, funções de proteção de corrente e temperatura, e filtros EMR. (Fonte da imagem: EPC)

O inversor de três fases em GaN opera com tensões de entrada de 14 a 65 V_CC. Ele comuta sem sobressinal, resultando em torque suave e mínimo ruído de funcionamento. A placa é otimizada para uma inclinação de chaveamento de alta velocidade típica em GaN abaixo de 10 volts por ns (V/ns) e pode, opcionalmente, ser reduzida para operar um conversor CC/CC. Além disso, dois sensores de posição do rotor (sensores Hall) operando em diferentes níveis de tensão podem ser conectados.

Torque livre de vibração e baixo ruído de funcionamento

Um exemplo de implementação de um motor BLDC de três fases demonstra o efeito da parametrização do tempo morto no bom funcionamento do motor e, portanto, na geração de ruído. O tempo de bloqueio na transição de chaveamento do FET do lado de alta e de baixa de uma meia ponte baseada em FETs de GaN pode ser escolhido para ser muito pequeno, pois os HEMTs de GaN reagem extremamente rápido e não produzem sobressinais parasitas, como é o caso dos MOSFETs mais lentos.

A figura 4 (à esquerda) mostra um inversor de GaN operando em um tempo morto típico para MOSFETs de 500 ns a uma frequência PWM de 40 kHz. O que deveria ser uma corrente de fase senoidal suave mostra uma distorção extremamente alta, o que resulta em ondulações de torque elevadas e o correspondente ruído. Na Figura 4 (à direita) o tempo morto foi reduzido para 50 ns, estabelecendo uma corrente de fase senoidal para um motor de funcionamento suave com muito pouco ruído.

Figura 4: Um tempo morto de 500 ns a uma frequência PWM de 40 kHz (à esquerda), típico para MOSFETs, causa alta distorção na corrente de fase que resulta em ondulações de torque elevadas e altos níveis de ruído. Com um tempo morto de 50 ns (à direita), uma corrente de fase senoidal é estabelecida para que o motor gire suavemente com baixo ruído. (Fonte da imagem: EPC)

Menos ondulação na corrente de fase também significa menores perdas de magnetização nas bobinas do estator, enquanto menos ondulação na tensão de fase permite maior resolução, assim como um controle mais preciso do torque e da velocidade, especialmente para motores com baixa indutância utilizados em projetos menores.

Para aplicações de acionamento de motores que requerem mais potência, estão disponíveis duas placas inversoras com tecnologia de GaN: a EPC9167HCKIT (1 quilowatt (kW)) e a EPC9167KIT (500 watts). Ambas utilizam o FET de GaN EPC2065, que tem um R_DS(on) máximo de 3,6 mΩ e uma tensão máxima do dispositivo de 80 volts. Enquanto a placa EPC9167 utiliza FETs simples para cada posição de chaveamento, a EPC9167HC tem dois FETs trabalhando em paralelo, fornecendo um máximo de 42 A_pk (30 A_RMS) de corrente de saída. O FET de GaN EPC2065 suporta frequências de chaveamento PWM de até 250 kHz em aplicações de controle de motores e um máximo de 500 kHz em conversores CC/CC.

A potência ainda maior — até 1,5 kW — é fornecida pela placa inversora no EPC9173KIT. A placa forma as ramificações de meia ponte de dois CIs acionadores de porta em GaN EPC23101ENGRT que têm apenas um FET de potência integrado no lado de alta. Esta placa pode ser expandida como um conversor buck, boost, meia ponte, ponte completa ou LLC. Ela fornece correntes de saída de até 50 A_pk (35 A_RMS) e opera em frequências de chaveamento PWM de até 250 kHz, com arrefecimento apropriado.

Coloque o estágio acionador em funcionamento em poucos minutos

A maneira mais rápida de avaliar a placa inversora com tecnologia de GaN EPC9176 — sem a necessidade de códigos de programação — é usar a placa controladora de interface EPC9147A. Um módulo plug-in (PIM) — o MA330031-2 — contém DSP de 16 bits dsPIC33EP256MC506-I-PT da Microchip Technology (Figura 5).

Figura 5: A placa controladora de interface universal EPC9147A pode acomodar vários módulos plug-in, tais como o MA330031-2 PIM, que é baseado no DSP de 16 bits dsPIC33EP256. (Fonte da imagem: EPC/Microchip Technology)

Para facilitar a operação da interface do controlador DSP, os projetistas podem usar o pacote de desenvolvimento motorBench, ao qual devem acrescentar:

1. MPLAB X IDE_V5.45 e a atualização recomendada
2. Plugin configurador de código (compilação específica do DSP)
3. motorBench plugin 2.35 (exemplos de motores)

Para esta discussão, o exemplo utiliza a placa inversora de motor com tecnologia de GaN EPC9146, portanto:

4. Comece com o projeto MCLV-2 ou EPC para o EPC914xKIT denominado, "sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X"

O usuário pode simplesmente selecionar o arquivo hexadecimal da amostra para a placa inversora de motor EPC9146, com tecnologia de GaN, e descarregá-lo no DSP dsPIC33EP256MC506 usando um adaptador de programação, como o PG164100 da Microchip Technology para microcontroladores de 16 bits. O motor BLDC conectado (Teknic_M-3411P-LN-08D) é então controlável manualmente através dos controles e opera em modo FOC sem sensores.

Se o motor não estiver funcionando satisfatoriamente ou precisar ser configurado para um estado operacional diferente, o motorBench também fornece um arquivo de amostra configurável que deve ser compilado antes de descarregá-lo. Um parâmetro elementar, mas importante para os acionadores de motor em GaN, como discutido acima, é um tempo morto de 50 ns ou menor, que deve ser conferido antes da compilação do arquivo hexadecimal.

Parâmetros personalizados para um motor BLDC

A fim de definir configurações personalizadas do motor BLDC para operação FOC sem sensores, usando o IDE motorBench, os usuários podem medir os parâmetros específicos do motor e inserir os valores relevantes em um arquivo de configuração. O motor MOT-I-81542-A da ISL Products International, por exemplo, pode servir como um motor de teste aqui. Consome cerca de 361 watts de potência operando a 24 volts e funcionando a 6100 rotações por minuto (rpm).

Estes quatro parâmetros do motor devem ser determinados primeiro:

• Resistência ôhmica: esta é medida entre os terminais da bobina do estator usando um multímetro
• Indutância: medida entre os terminais da bobina do estator usando um multímetro
• Pares de pólos: para determinar os pares de pólos, o projetista deve curto-circuitar duas fases, deixar a terceira aberta, e então contar o número de bloqueios em uma rotação de eixo à mão, depois dividir o resultado por dois
• Força contraeletromotriz (BEMF): a BEMF é medida entre os terminais da bobina do estator usando um osciloscópio. Para fazer isso, o projetista deve:
  • Fixar a sonda em dois terminais de fase, deixando o terceiro aberto
  • Girar o eixo do motor manualmente e registrar a resposta de tensão
  • Medir a amplitude da tensão de pico a pico A_pp e o meio período T_half da maior meia onda senoidal (Figura 6).

Figura 6: A BEMF é determinada pela medição da amplitude da tensão de pico a pico A_pp e o meio período T_half da maior meia onda senoidal. (Fonte da imagem: EPC)

Referindo-se ao exemplo do projeto acima, a Microchip determinou os seguintes parâmetros para o motor Teknic M-3411P-LN-08D (8,4 A_RMS, oito pólos, torque = 1 Newton-metro (Nm), e uma potência nominal de 244 watts):

• A_pp = 15,836 V_pp
• T_haft = 13,92 ms
• Pares de pólos: pp = 4
• A Microchip então calculou a constante BEMF (para 1000 rpm = 1 k_rpm), usando a Equação 1:

Equação 1

para este motor de exemplo

(um valor de 10,2 foi usado para motorBench)

• Resistência de linha a linha R_L-L = 800 mΩ, menos 100 mΩ devido aos terminais de medição LCR
• L_d = L_q = 1 mH utilizado neste exemplo, apesar de medir 932 micro-Henries (µH)

Os parâmetros determinados são inseridos no submenu Configure/PMSM Motor do motorBench. Para isso, os projetistas podem simplesmente usar o arquivo de configuração XML de um tipo de motor semelhante. Alternativamente, os parâmetros podem ser inseridos em um arquivo de configuração recém-criado (vazio) que pode ser importado através do botão "Importar Motor".

Conclusão

Os CIs acionadores de motor em GaN atingem um desempenho de alta eficiência em acionamentos de motores BLDC alimentados por bateria com um fator de forma pequeno e pouco peso. Integrados na carcaça do motor, eles estão bem protegidos, simplificam o projeto e a instalação do dispositivo e reduzem a manutenção.

Apoiados por circuitos de referência, controladores DSP pré-programados baseados em modelos e um ambiente de desenvolvimento de motores, os projetistas e programadores de aplicações de motores BLDC podem reduzir o tempo de projeto dos circuitos e focar mais no desenvolvimento da aplicação.