Otimização de controladores de potência no controle de motores industriais com módulos GMR10Dx para soluções de polarização multifásica

Este artigo aborda os desafios de projeto e as principais considerações envolvidas no desenvolvimento de um controlador de potência multifásico, confiável e seguro. Ele aproveita o módulo conversor CC/CC isolado GMR10Dx com saídas flutuantes, combinado com os módulos de potência, altamente integrados, com acionamento de porta dupla do comutador de ampla banda proibida da Ganmar Technologies. O projeto e a construção desses módulos são otimizados para atender aos requisitos do sistema em termos de confiabilidade, segurança, EMI e gerenciamento térmico.

Um exemplo ilustrativo do sistema é apresentado, mostrando uma entrada CA trifásica que alimenta um estágio de correção do fator de potência (PFC), seguido por uma carga pesada controlada pela modulação por largura de pulso (PWM), como um motor de grau industrial. O projeto é especialmente voltado para a condução de comutadores em GaN de alta tensão da Infineon (antiga GaN Systems), fornecendo uma solução prática de circuito. As limitações dos métodos tradicionais de acionamento de comutadores do tipo totem-pole de meia ponte (HB) são abordadas, e são exploradas soluções alternativas para o controle de comutadores no lado de maior e de menor tensão. São apresentados projetos práticos de circuitos para garantir uma operação confiável e segura e, ao mesmo tempo, minimizar os requisitos de espaço. Além disso, esta nota aborda o sensoriamento de corrente de baixa perda e alta largura de banda para simplificar ainda mais o processo de projeto.

O ambiente de projeto atual apresenta vários desafios, incluindo a necessidade de hardware compacto, consumo de energia reduzido para resfriamento eficiente, maior confiabilidade com gerenciamento térmico otimizado e soluções econômicas. Isso é ainda mais complicado devido aos orçamentos apertados e aos prazos de desenvolvimento mais curtos. Para enfrentar esses desafios, este artigo apresenta subsistemas padrão e blocos de construção que ajudam as equipes de projeto a aproveitar o conhecimento especializado e a conformidade dos fornecedores de subsistemas.

Ao utilizar o conversor de energia e os módulos de interface da Ganmar Technologies, este artigo oferece uma solução ideal para esses desafios de projeto. Os módulos fornecidos permitem o desenvolvimento eficiente de um sistema de acionamento de porta multifásico, enquanto seu fator de forma padronizado economiza espaço valioso na placa principal.

Projeto de um controlador de potência de polarização para um sistema geral trifásico de alta tensão e alta potência usando o GMR10Dx

Esta seção descreve as considerações de projeto para a criação de um controlador de potência de polarização em um sistema de alta tensão e alta potência usando os módulos conversores CC/CC GMR10Dx, juntamente com a polarização do acionamento de porta flutuante fornecida pelos módulos GMR04B00x. Como mostrado na Figura 1a, o sistema pode incluir uma carga pesada controlada por PWM, como um motor industrial, incorporando vários comutadores e exigindo várias tensões de polarização para diferentes blocos funcionais. Abaixo estão as principais premissas do projeto:

• Considerações sobre EMI: O sistema requer um fator de potência quase unitário, o que exige o uso de um PFC.
• Lógica de partida: O PFC inclui um processador, que requer uma lógica de partida independente para os conversores de polarização.
• Dissipação de energia: A redução da dissipação de energia nos componentes eletrônicos do controlador é fundamental para a confiabilidade e para simplificar os requisitos do sistema de resfriamento.
• Uso de produtos prontos para uso: O projeto maximiza o uso de componentes prontamente disponíveis.

A Figura 1a apresenta uma configuração geral do sistema para referência visual nas discussões de projeto subsequentes.

Figura 1a: polarização e partida do sistema de controle de carga industrial elevada. (Fonte da imagem: Ganmar Technologies)

Referindo-se ao diagrama de blocos da Figura 1a, esta seção se concentrará no projeto do controlador de potência de polarização e sua integração com o sistema geral. As opções de projeto serão exploradas para cada função, excluindo o PFC e controlador PWM, devido à necessidade de informações mais específicas sobre os requisitos de interface do sistema para abordar completamente essas funções. Consequentemente, este artigo não abordará esses componentes em detalhes. Supõe-se que o sistema utilize comutadores de alta tensão em GaN, como o GS66516T da Infineon, embora também sejam discutidas considerações sobre tecnologias alternativas de comutadores, como SiC ou bipolares.

Além disso, este artigo apresentará os módulos, altamente integrados, acionadores de porta flutuante e autoalimentados da Ganmar Technologies, especificamente o GMR04B00x. O "x" no número do modelo indica várias opções disponíveis de chip acionador de porta dupla. Consulte a ficha técnica do GMR04B00x para obter especificações e opções detalhadas.

Controlador de potência de polarização

O controlador de potência de polarização foi projetado para oferecer proteção contra apagão para valores baixos de entrada CA (UVLO) e fornecer um desligamento desbloqueado, se as entradas CA excederem o limite máximo definido (OVLO). Quando a entrada CA está dentro dos valores operacionais seguros, o módulo GRM10Dx gera saídas CC isoladas em tensões comuns, normalmente 6 V e 22 V. Em sistemas maiores, podem ser necessárias formas de tensão adicionais. A Figura 1b ilustra uma configuração típica para obter essas tensões. Uma saída de 5 V de baixa potência é usada para alimentar o chip acionador de porta dupla no módulo GMR04B00x, especificamente o ADUM7223 da Analog Devices. Consulte a ficha técnica do GMR04B00x para obter outras opções disponíveis.

Figura 1b: Formas típicas do circuito de conexão derivadas do GMR10Dx. (Fonte da imagem: Ganmar Technologies)

O módulo GMR04B00x alimenta internamente seu lado flutuante para fornecer duas polarizações de 12 V. O lado de 12 V (12VH) polariza o acionador da saída VIA para o comutador de alimentação superior, com o nível de acionamento da porta em +5,6 V/-5,6 V em relação ao nó HBU. Configurações semelhantes de acionamento dividido são aplicadas em torno dos circuitos das fases V e W.

Para o comutador do lado de baixa, um 12VL separado é gerado internamente pelo módulo GMR04B00x, que pode ser referenciado com o nó de retorno de energia do lado de baixa de qualquer polaridade. A saída VIB do ADUM7223, por exemplo, é dividida em +5,6 V/-5,6 V pela rede divisora, garantindo que o comutador de GaN inferior funcione corretamente.

Para comutadores de SiC, uma versão diferente do módulo GMR04B00x fornece 15 V, 18 V ou 22 V, que podem ser ajustados na fábrica para se adequar a vários comutadores de SiC de alta potência. As saídas do circuito de divisão fornecem uma polarização ±flutuante para acionar os comutadores de carbeto de silício nos lados de alta e baixa tensão em relação aos nós superiores do HBU/V/W e, da mesma forma, para os nós inferiores de qualquer polaridade. Consulte a ficha técnica do GMR04B00x para ver as opções disponíveis.

A seção do controlador de potência de polarização, juntamente com os LDOs ilustrados na Figura 1b, alimenta os outros dois módulos de interface GRM04B00x conectados diretamente às portas nos nós V e W. Além disso, a saída de 22 V pode alimentar controladores analógicos, seções digitais e chips de E/S na placa do usuário por meio de LDOs. Para necessidades de maior potência, os usuários podem consultar a Nota de Aplicação para obter orientação sobre como colocar os módulos GMR10Dx em paralelo.

Problemas de partida

É fundamental fornecer uma fonte de alimentação estável para os processadores digitais, antes que eles se tornem operacionais. Isso requer a operação do controlador de polarização a partir de uma fonte de alimentação independente do PFC. O circuito do conversor de energia Ganmar consome até 18 watts da fonte CA, o que afeta minimamente as relações de fase da entrada CA. O módulo GMR10DX suporta uma faixa de tensão de entrada de 100 V_CC a 320 V_CC, abrangendo a faixa típica para aplicações isoladas da rede.

Para tensões mais elevadas da fonte, frequentemente encontradas em aplicações de alta potência, em que os retificadores podem produzir até 380 V, consulte o Suporte Técnico da Ganmar para obter outras opções da série GMR10Dx.

A Figura 2 mostra uma ponte retificadora típica com 6 diodos, adequada para a partida do sistema com esse módulo. Quando a entrada CA exceder aproximadamente 42 V_RMS (60 ou 400 Hz), resultando em uma saída de 200 V_CC da ponte com um pequeno capacitor de 10 µF, os módulos começarão a produzir saídas com um atraso máximo de 70 ms em condições de pouca carga. Esse atraso é aceitável, pois nenhum outro bloco do sistema está consumindo energia durante a partida.

Durante eventos transitórios, se as entradas CA fizerem com que a saída da ponte retificadora com 6 diodos exceda a faixa de operação segura do módulo conversor, o módulo será desligado até que a tensão retificada retorne a um nível seguro. Além disso, um recurso de proteção contra apagão de subtensão é ativado se a tensão retificada cair abaixo de 100 V.

Figura 2: Extraindo um máximo de 18 W da entrada CA diretamente para a partida e polarização. (Fonte da imagem: Ganmar Technologies)

Filtragem de entrada

Os módulos de chaveamento de potência, como o GRM10Dx, apresentam uma característica de impedância "negativa" em relação às suas fontes de alimentação de entrada. Essa característica exige um projeto cuidadoso do filtro para garantir a estabilidade na interface. Embora o projeto detalhado dos filtros de entrada seja amplamente abordado em vários relatórios e publicações, este artigo apresenta uma breve visão geral das características de entrada do módulo GRM10Dx.

Para uma carga de potência constante típica de 15 W devido à condução do GaN, com uma tensão retificadora de 200 V e uma eficiência de 0,85, a impedância equivalente é calculada como |200²/(15/η)|, resultando em aproximadamente 3,14 k. Essa impedância é relativamente alta em comparação com a impedância da fonte, facilitando que o filtro necessário a contorne de forma eficaz. No entanto, é recomendável instalar um capacitor de amortecimento de 10 µF/400 V próximo ao módulo GRM10Dx. O próprio módulo inclui um capacitor de 0,47 µF para lidar com picos de corrente instantâneos provenientes dos eventos de chaveamento interno. O dimensionamento da ESR (resistência em série equivalente) do capacitor externo não é crítico, desde que o filtro PFC principal ofereça amortecimento suficiente.

A Ganmar Technologies também fornece um módulo antigo de ponte retificadora na entrada CA, completo com um fusível e um filtro EMI, para facilitar a integração com o módulo GRM10Dx. Isso simplifica o processo de conexão à fonte CA. Para obter detalhes sobre a integração desse módulo, consulte o Suporte Técnico da Ganmar.

Polarização do acionador

Figura 3: Conexão trifásica. (Fonte da imagem: Ganmar Technologies)

Figura 4: O módulo GMR10D000. (Fonte da imagem: Ganmar Technologies)

As Figuras 3 e 4 mostram o esquema e uma foto do módulo GMR10D000, um conversor CC/CC isolado capaz de fornecer 15 W com saídas duplas. A V_OUT1 normalmente fornece 6,5 V a 3 W, enquanto a V_OUT2 fornece 22 V a 12 W. Ambas as saídas atingem seu estado estacionário em 10 ms. Esta seção explicará como conectar as funções ilustradas na Figura 1 aos dispositivos GMR10Dx para obter a funcionalidade e o desempenho desejados.

Figura 5: Esquema funcional do lado de acionamento do módulo (mostrado com o GMR10D005). (Fonte da imagem: Ganmar Technologies)

A Figura 5 ilustra as interconexões de vários módulos GMR10Dx para cumprir as funções do controlador de potência de polarização. Nesta seção, é fornecida uma explicação detalhada da aplicação do GMR04B008 no contexto do bloco HS-U. Os outros dois módulos podem ser replicados facilmente conectando retornos de referência que correspondem a seus respectivos nós.

Figura 6: Esquema interno do GMR04B00x com alimentação de porta flutuante e acionamentos diretos. (Fonte da imagem: Ganmar Technologies)

A Figura 6 mostra a disponibilidade de alimentação de 22 V com relação ao nó GNDS "terra" comumente referenciado.

Requisitos de interface do estágio de potência

Conforme mostrado na Figura 6, em geral, recomenda-se que os sistemas de GaN apliquem uma tensão de polarização negativa para desligar os dispositivos de potência de GaN, especialmente em topologias de chaveamento duro em que as correntes excedem 30 A. A Figura 7 apresenta gráficos ilustrativos (cortesia do webinar da Infineon) que demonstram essa abordagem.

Figura 7: Efeitos da V_EE na dinâmica de desligamento. (Fonte da imagem: Infineon)

Implementação e características da ativação/desativação - A implementação de divisores do módulo para dispositivos Infineon garante tensões eficientes de ativação e desativação, minimizando as perdas fora da transição. As formas de onda de acionamento divididas e o projeto do GS66xx da Infineon contribuem para o aumento da eficiência, juntamente com um projeto exclusivo do transformador que reduz os picos de oscilação, durante o processo de desativação do GS66xx.

Ativação/desativação

Para uma ativação completa, é necessário um acoplamento de porta de 5,6 V, com indutância parasita e acoplamento capacitivo mínimos entre os nós de chaveamento sensíveis e as trilhas. É essencial seguir as diretrizes do fornecedor do GaN para o posicionamento e o roteamento adequados dos circuitos.

Durante a desativação, a tensão de porta-fonte (V_GS) deve ser significativamente menor do que a tensão de limiar (V_TH), com um nível de referência de aproximadamente 0 V nos circuitos discutidos aqui. Este artigo pressupõe o uso do CI acionador de porta ADUM7223 da Analog Devices. É importante observar que o bloqueio de subtensão (UVLO) da saída do acionador é de 5 V, o que o torna adequado para o acionamento de porta de 5,6 V exigido pelos dispositivos de GaN. A dissipação de potência pelo acionador para esse GaN pode ser calculada usando a ficha técnica do acionador:

Considerando um chaveamento de 250 kHz e os valores abaixo, é possível calcular A P_D:

A configuração do acionador resulta em uma dissipação de 100 mW, que está bem dentro dos recursos dos módulos GMR10Dx e GMR04B00x. O módulo GMR10Dx é capaz de fornecer significativamente mais potência do que a necessária para o acionador, garantindo uma fonte de alimentação robusta para sua operação.

Configuração do GaN de alta tensão para o acionador

O módulo GMR10Dx fornece as tensões de polarização necessárias para os acionadores de GaN superior e inferior em uma configuração meia ponte (HB). A Figura 8 ilustra as conexões para os acionadores de GaN dos divisores.

O referenciamento adequado dos retornos de polarização é fundamental para evitar o comportamento errático do chaveamento e possíveis danos aos dispositivos de GaN. Os usuários devem seguir as diretrizes e recomendações fornecidas nas fichas técnicas específicas do GaN e nas notas de aplicação para garantir uma operação correta e segura. Orientações adicionais podem ser encontradas nos resumos de aplicação da ficha técnica do módulo GMR04Bx integrado de acionador duplo direto.

Figura 8: Arranjo de totem-pole e configuração clássica de meia ponte com conexões diretas de acionamento dividido para os comutadores de GaN. (Fonte da imagem: Ganmar Technologies)

O módulo GMR04B00x fornece a tensão de polarização flutuante necessária para o acionador de porta do comutador de GaN superior, eliminando a necessidade de circuitos adicionais, como um capacitor de bootstrap flutuante para gerar a tensão de polarização necessária.

Com os módulos GMR04B00x, as tensões flutuantes de acionamento da porta podem ser conectadas diretamente às portas dos comutadores de GaN superior e inferior, fornecendo um acionamento de porta estável de ±5,6 V. Essa abordagem simplifica o projeto, eliminando a necessidade de o controlador chavear o dispositivo inferior para gerar a polarização para o acionador de porta superior.

O uso dos módulos GMR04B00x permite que as tensões desejadas de acionamento da porta sejam alcançadas para os comutadores de GaN superior e inferior sem a complexidade e os componentes adicionais exigidos por métodos alternativos de polarização.

O esquema de bootstrap antigo, conforme mostrado na Figura 9, tem várias desvantagens, incluindo a necessidade de componentes adicionais, como diodos e capacitores não polares, cujos valores podem precisar de ajustes com base nos requisitos específicos do GaN ou de outros dispositivos. Os problemas de partida e a falta de uma polarização rígida são preocupações significativas com essa abordagem. Além disso, o esquema de bootstrap antigo é incompatível com os nós HB bipolares.

Figura 9: Esquema de polarização antigo do acionador de porta flutuante. (Fonte da imagem: Ganmar Technologies)

Em contrapartida, o layout compacto dos módulos GMR10Dx e GMR04B00x, juntamente com suas extensões associadas, destaca suas vantagens de economia de espaço. Isso os torna uma solução prática para aplicações que exigem polarização eficiente e referenciamento adequado.

Detecção de corrente

As Figuras 10 e 11 ilustram a integração da detecção de corrente, usando resistores shunt com os módulos GMR10Dx e GMR04B00x. Os resistores shunt são comumente usados para medir e monitorar a corrente que flui em um circuito. Ao colocar esses resistores estrategicamente no caminho da corrente, a queda de tensão entre eles pode ser medida e usada para calcular a corrente.

No contexto dos módulos GMR, os resistores shunt de detecção de corrente são conectados em série com a carga ou com um módulo de detecção de corrente isolado de alta largura de banda. Essa configuração garante a detecção e o monitoramento precisos da corrente. Os módulos GMR fornecem as tensões de polarização flutuantes ou referenciadas ao terra e a potência necessárias para suportar os sistemas de detecção de corrente, garantindo medições confiáveis e precisas.

A incorporação da detecção de corrente no projeto do sistema permite que os usuários coletem informações valiosas sobre os níveis de corrente e monitorem o desempenho do circuito ou do sistema. Isso é particularmente útil em aplicações que exigem controle ou proteção precisos da corrente, como controle de motores, eletrônica de potência ou sistemas de energia renovável.

Figura 10: Antiga detecção de corrente com resistor shunt. (Fonte da imagem: Ganmar Technologies)

Figura 11: Detecção de corrente não dissipativa GMRCS000. (Fonte da imagem: Ganmar Technologies)

A Ganmar Technologies oferece os módulos GMRCSN000 e GMRCSP000 como soluções compactas, isoladas e não dissipativas de sensores de corrente. Esses módulos oferecem detecção de corrente isolada de alta largura de banda sem a necessidade de resistores shunt adicionais no caminho da corrente. Isso elimina as perdas de potência e simplifica o projeto.

Os módulos GMRCSN000 e GMRCSP000 detectam a corrente que flui pelo circuito e oferecem duas polaridades de saída: 0 a +Vsense e -Vsense a 0. Essas faixas de saída são adequadas para a interface direta com o conversor analógico-digital (ADC) de controladores incorporados ou para controladores analógicos usados em aplicações de PFC sem ponte.

A utilização dos módulos GMRCSN000 ou GMRCSP000 simplifica a implementação da detecção de corrente, economiza espaço valioso na placa e garante medições de corrente precisas e isoladas. Para obter mais informações sobre esses módulos e seus números de peça aplicáveis, entre em contato com o suporte técnico da Ganmar Technologies para obter assistência detalhada e orientação de integração.

Conclusão

Este artigo detalhou uma abordagem de projeto abrangente para a partida e polarização do sistema, usando os módulos GMR10Dx e GMR04B00x em conjunto com os comutadores de GaN de alta tensão e alta potência. O foco está nos comutadores de GaN da Infineon, que são comumente usados em aplicações como motores trifásicos, inversores trifásicos e carregadores de EV de nível 3.

O projeto oferece várias vantagens em relação às abordagens antigas, incluindo maior confiabilidade, compacidade e eficiência. Os módulos GMR10Dx e GMR04B00x fornecem uma solução versátil e robusta para a partida e polarização do sistema, oferecendo conexões diretas com as portas desses comutadores.

Além disso, o artigo apresentou os módulos GMRCSN000 e GMRCSP000, que oferecem uma solução de detecção de corrente compacta e não dissipativa com recursos de saída flexíveis. Esses módulos simplificam a implementação da detecção de corrente e fornecem medições de corrente precisas e isoladas.

Ao aproveitar as abordagens e soluções de projeto apresentadas neste artigo, os projetistas podem melhorar significativamente o desempenho e a confiabilidade de seus sistemas que utilizam comutadores de GaN. Além disso, eles podem se beneficiar da experiência e do suporte fornecidos pela Ganmar Technologies.