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单片功率级电机驱动逆变器

  【2022.11.01.】

  无刷直流(BLDC)电机很受欢迎,在机器人、电动车和无人机中的应用越来越多。这类应用有特殊要求,如轻量级、小尺寸、低扭矩纹波和精确控制。为了满足这些需求,为电机供电的逆变器需要在更高的频率下运行,但需要先进的技术来减少由此带来的更高的功率损耗。氮化镓场效应晶体管和集成电路提供了在硬开关拓扑结构中以更高频率运行的能力,而不会产生巨大的损失。本应用说明介绍了使用单片GaN半桥ePower™级IC的高频和紧凑型BLDC电机驱动逆变器的设计。它能够实现高达3MHz的开关和每相10ARMS的负载电流。

  介绍单片GaN ePower™功率级IC
  氮化镓场效应晶体管的下一步发展是单片集成。功率级的单片集成不仅大大减少了对开关性能有很大影响的共源电感(CSI)、功率和栅极环路电感,而且还使IC内的功率耗散分布更加均匀。此外,它还减少了元件数量,简化了PCB布局。
  图1显示了EPC2152 GaN ePower™功率级的框图,它集成了两个70V、10mΩ的场效应管和一个为驱动场效应管而优化的独立半桥栅极驱动器。它包括输入缓冲器、带有上电复位(POR)的逻辑接口、欠压锁定(UVLO)功能、高电压、高dv/dt能力的控制信号电平转换器,以及确保高端栅极驱动器适当电源电压的同步自举。 EPC2152与CMOS和TTL逻辑电平兼容。图2显示了EPC2152单片氮化镓功率级的引脚分配照片。它的尺寸只有3.9毫米x2.6毫米,可以承载高达15A的电流。

  使用EPC2152的BLDC电机驱动逆变器的设计
  一个实用的高性能电机驱动器至少需要以下功能元件:
  • 一个三相半桥功率级
  • 至少两相电机的电压和电流检测
  • 驱动器直流电源的电压和电流检测
  • 用于各种控制电路的辅助电源
  • 在半桥的高dv/dt输出和电机连接之间有一个谐波滤波器
  • 一个具有足够处理能力的控制器,以操作电机控制功能
  • 保护功能,如过温和过流监测

图1
  图1. EPC2152 GaN ePower™功率级的方框图

图2
  图2. EPC2152 GaN ePower™功率级的凹凸视图

  使用EPC2152 ePower Stage设计了一个60V、三相BLDC电机驱动逆变器。图3显示了它的框图,其中列出了所有的基本元素。每相使用一个EPC2152 ePower级,只需要几个支持电容。由于GaN FET产生的dv/dt很高,所以包括了一个可选的LC滤波器,其中包括一个线路电感和并联电容。它可以被配置为谐波滤波器或EMI滤波器。当配置为EMI滤波器时,一个电阻器与电容器串联。内部管理电源为栅极驱动和控制阶段产生两个主要电压电平,即12V和3.3V。控制器读取检测的电机驱动相电流和电压、电源电压和温度,并将PWM控制信号发回给功率级输入。

图3
  图3. 无刷直流电动机驱动逆变器的方框图

  图4显示了BLDC电机驱动逆变器板。设计中还包括用于安装散热器的螺纹安装柱,以增加功率吞吐量。安装散热器的详细步骤在[1]中解释。该驱动器被设计为从15V到60V的直流电输入,并为400W的NEMA 34尺寸的无刷直流电动机供电。它可以在20kHz到1MHz的开关频率下工作,在安装了散热片的情况下,向电机的每一相提供15A的峰值电流。该板的尺寸仅为45毫米×55毫米。

  设计验证
  电机驱动逆变器在48V的直流电源电压运行,同时以100kHz的开关频率为400W的NEMA 34电机供电,正弦调制频率为20Hz。半桥的上升沿和下降沿的死区时间被设定为10纳秒,与50纳秒开始的MOSFET相比,死区时间非常短。
  图5显示了当电机驱动器每相输送10 ARMS到电机时,在调制频率时间时间尺度内测量的开关节点电压(VSwN)和相电流(Iphase)。这是在没有可选的LC输出滤波器的情况下捕获的。图6显示了在正相电流和负相电流下,在开关频率时间尺度内测量的开关节点电压。可以看出,它没有过度的振铃和过冲现象。进一步放大瞬态时间尺度中的波形,图7显示硬开关瞬态和自换向瞬态的速度极快,在达到稳定状态前的振铃最小。
  由于缺乏测功机,变频器的功率损失是在空载条件下驱动电机时测量的。测量的功率损失作为一相RMS电机电流的函数显示在图8中。如果推断为400W的电机功率,那么变频器的预期效率,包括控制器在184毫瓦时,将超过98.4%。逆变器在没有连接散热器的情况下,在400 LFM强制空气下运行。图9显示了在9ARMS下运行时热稳定状态下的ePower级器件温度。

图4
  图4. 三相实验性无刷直流电动机驱动器的照片,(a)顶面 (b)底面

图5
  图5. 电机驱动器的开关节点和相位电流波形,在48V直流电源下运行,每相向电机输送10ARMS时,在调制频率时间尺度上测量的波形

图6
  图6. 电机驱动器的开关节点和相位电流波形,在开关频率时间尺度中测量,当从48V直流电源运行时,每相向电机输送10ARMS。顶部:流出开关节点的电流。底部:流进开关节点的电流

图7
  图7. 电机驱动器的开关节点和相位电流波形,在开关瞬态时间尺度内测量,当从48V直流电源运行并向电机每相提供10ARMS时。顶部:流出开关节点的电流。底部:流进开关节点的电流

图8
  图8. 测量的电机驱动功率损失是进入电机的相电流的函数

图9
  图9. 在48V输入电压和9ARMS相位电流下拍摄的电机驱动器热图像,400LFM强制空气

  结论
  我们展示了一个用EPC2152 GaN ePower功率级设计的60V、三相无刷直流电动机驱动逆变器。单片集成的场效应晶体管和栅极驱动器不仅确保了小尺寸,而且即使在高开关频率下也能保证驱动器的低开关损耗。其结果是一个紧凑的驱动解决方案,可以很容易地与电机集成。

  参考资料
  [1] How to get more power out of a high-density eGaN®-based converter with a heatsink
  [2] GaN Transistors for Efficient Power Conversion 3rd Edition Book –A. Lidow, M. de Rooij, J. Strydom, D. Reusch, J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion. Third Edition, Wiley,ISBN 978-1-119- 59414-7.

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