GaN im Motorumrichter Effizienz steigern, Dynamik beherrschen

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GaN ermöglicht hohe Schaltfrequenzen, minimale Verluste und maximale Leistungsdichte. Doch genau diese Stärken werden im System zur Herausforderung. Wie lassen sich Dynamik, EMV und Stabilität in den Griff bekommen?

Galliumnitrid (GaN)-Leistungsbauelemente ermöglichen eine neue Generation von hocheffizienten Motorantriebssystemen mit hoher Leistungsdichte. Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-MOSFETs bieten GaN-Transistoren eine deutlich geringere Gate-Ladung, reduzierte Ausgangskapazität und einen sehr niedrigen Einschaltwiderstand, wodurch Stromrichter bei viel höheren Schaltgeschwindigkeiten betrieben werden können. Dadurch können Motorumrichter auf Basis der GaN-Technologie Schaltfrequenzen von weit über 100 kHz erreichen und gleichzeitig sowohl Leitungs- als auch Schaltverluste reduzieren. Diese Eigenschaften ermöglichen kleinere passive Komponenten, einen verbesserten Wirkungsgrad und kompaktere Systemdesigns.

Zusätzlich zur Effizienzsteigerung ermöglicht die schnelle Schaltgeschwindigkeit von GaN-Bauelementen eine Motorsteuerung mit höherer Bandbreite und besserer dynamischer Leistung. Aber die schnellen Spannungsänderungen, die beim Ein- und Ausschalten von GaN auftreten, stellen neue Designherausforderungen dar. Hohe dv/dt-Schaltkanten können Messschaltungen, Steuerungselektronik und das elektromagnetische Verhalten beeinflussen. Das bedeutet, dass das Design und Layout auf Systemebene sehr sorgfältig durchgeführt werden müssen [1].

In praktischen Motorantriebssystemen müssen Ingenieure die Stromerfassungsgenauigkeit, die Schutzreaktionszeit, die Regelkreisstabilität, das elektromagnetische Verhalten und die thermische Leistung unter realistischen Betriebsbedingungen bewerten. Diese Aspekte sind unerlässlich, um einen zuverlässigen Betrieb bei der Einführung der GaN-Technologie in Motorumrichteranwendungen zu gewährleisten.

Um diesen Entwicklungsprozess zu unterstützen, werden häufig spezielle Bewertungsplattformen eingesetzt. In dieser Arbeit werden zwei Evaluierungsboards auf Basis des 100 V 750 μΩ EPC2361 betrachtet, die von Efficient Power Conversion (EPC) für Dreiphasen-Motorumrichteranwendungen entwickelt wurden: das EPC91202 und das EPC9186HC2/HC3. Die EPC91202-Plattform ermöglicht die Bewertung des EPC2361 in einer relativ einfachen Wechselrichterkonfiguration, wodurch er sich zur Analyse der inhärenten Schalt- und Leitungsleistung des Bauelements eignet. Im Gegensatz dazu dient die EPC9186HCx-Plattform als Referenzdesign, das die Parallelschaltung mehrerer Geräte pro Schalterposition ermöglicht und so die Untersuchung des Betriebs bei höheren Strömen sowie die Designüberlegungen im Zusammenhang mit der Parallelschaltung von Geräten in GaN-basierten Motorantriebsarchitekturen ermöglicht.

GaN-Evaluierungsplattformen

Wide-Bandgap-Bauelemente, wie z. B. GaN-Transistoren, beeinflussen das Verhalten moderner Motorinvertersysteme erheblich. Dank ihrer hohen Elektronenmobilität und geringer parasitärer Kapazität ermöglichen GaN-FETs schnellere Schaltübergänge als herkömmliche Silizium-MOSFETs. Diese Eigenschaften ermöglichen es Motorumrichtern, bei höheren Schaltfrequenzen zu arbeiten und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

Der Schaltverlust eines Bauelements kann wie folgt angenähert werden:

P_sw ≈ 0,5 · U_DS · I_D · (t_r + t_f) · f_sw

wobei U_DS die Drain-Source-Spannung, I_D der Strom, t_r und t_f die Spannungsanstiegs- und -abfallzeiten und fsw die Schaltfrequenz sind. Da GaN-Bauelemente die Anstiegs- und Abfallzeiten (t_r und t_f) deutlich reduzieren, bleiben die Schaltverluste auch bei steigender Schaltfrequenz beherrschbar. Dies ermöglicht den Betrieb im Bereich von 100 – 150 kHz für Motorantriebe, wodurch die Stromwelligkeit reduziert, die Größe passiver Komponenten verkleinert und schnellere Regelkreise ermöglicht werden. Evaluierungsplattformen wie die EPC9186- und EPC91202-Boards stellen Referenzimplementierungen für GaN-basierte Dreiphasen-Motorinverter dar. Beide integrieren die wesentlichen Funktionen einer vollständigen Wechselrichterstufe, darunter Gate-Treiber, Mess- und Schutzschaltungen, und erlauben damit die Untersuchung des Verhaltens von GaN-Bauelementen unter realistischen Betriebsbedingungen. Obwohl beide Plattformen eine vollständige Dreiphasen-Invertertopologie umsetzen, unterscheiden sie sich hinsichtlich Stromtragfähigkeit und erreichbarer Schaltfrequenz. Dadurch adressieren sie unterschiedliche Betriebsbereiche und eignen sich zur Analyse verschiedener Auslegungsansätze für GaN-basierte Motorantriebe.

Hochstrom-Evaluierungsplattform

Das EPC9186HC2/HC3 ist ein dreiphasiges BLDC-Inverter-Evaluierungsboard, das zur Demonstration der Leistung von 100-V-Enhancement-Mode-GaN (eGaN) FETs für Motorantriebsanwendungen entwickelt wurde. Die Platine integriert die gesamte Leistungsstufe, die für einen Dreiphasen-Wechselrichter benötigt wird, und ermöglicht eine schnelle Bewertung von GaN-Bauelementen in Motorsteuerungssystemen. Die Wechselrichterstufe wird mit EPC2361 eGaN FETs implementiert, die in einer dreiphasigen Brückenkonfiguration angeordnet sind. An jeder Schalterposition werden mehrere Geräte parallelgeschaltet, um eine hohe Stromtragfähigkeit zu unterstützen und gleichzeitig einen sehr niedrigen effektiven Einschaltwiderstand aufrechtzuerhalten. Das Board enthält die wichtigsten Funktionsblöcke, die für die Bewertung von Motorumrichtern erforderlich sind: integrierte Gate-Treiber, Phasenstrommessung, Spannungsüberwachung, Housekeeping, Stromversorgungen und Schutzschaltungen. Diese Funktionen ermöglichen den Betrieb der EPC9186HC2/HC3-Plattform als eigenständige Wechselrichterstufe in Verbindung mit einem externen Controller. Die integrierte Phasenstrommessung bildet die Grundlage für Regelungsverfahren wie die feldorientierte Regelung (FOC). Aufgrund der hohen Stromtragfähigkeit und der integrierten Sensorik eignet sich das EPC9186HC2/HC3-Board zur Untersuchung von GaN-basierten Motorantriebsarchitekturen, insbesondere im Hinblick auf Wirkungsgrad, Strommessung und Schutzverhalten [3].

Hochfrequenz-Optimierungsplattform

Das Evaluierungsboard EPC91202 ist ein kompakter Dreiphasen-Motorantriebsinverter, der für Anwendungen mit hoher Schaltfrequenz und hoher Leistungsdichte entwickelt wurde. Das Board demonstriert die Fähigkeiten der EPC eGaN FET-Technologie in Motorantriebssystemen, die mit Niederspannungs-Gleichstrom-Busversorgungen betrieben werden.

Die Leistungsstufe wird mit EPC2361 eGaN FETs implementiert, die in einer dreiphasigen Brückentopologie konfiguriert sind. Das Design unterstützt DC-Busspannungen von bis zu etwa 76 V und Ausgangsströme von bis zu etwa 50 A_RMS, abhängig von den Kühlbedingungen. Der EPC91202 integriert mehrere für die Bewertung von Motorantrieben erforderliche Subsysteme. Dazu zählen eine Gate-Treiber-Schaltung für die GaN-Leistungsbauelemente, eine Stromsensorik zur Phasenstrommessung sowie Funktionen zur Spannungsüberwachung und Fehlererkennung. Ergänzt wird dies durch entsprechende Hilfsspannungsversorgungen für das interne Housekeeping.

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Die Platine ist für den Betrieb mit einem externen Motorcontroller ausgelegt und eignet sich damit für die Prototypenerstellung von GaN-basierten Motorantriebssystemen. Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeit von GaN-Bauelementen sind dabei Schaltfrequenzen möglich, die über denen klassischer siliziumbasierter Antriebe liegen. Die EPC91202-Plattform dient in diesem Kontext als Evaluierungsplattform, um den Hochfrequenzbetrieb von Motorinvertern sowie das Systemverhalten von GaN-basierten Antriebsarchitekturen zu analysieren [4].

Aktuelle Mess- und Schutzstrategie

Eine genaue Strommessung ist für Motorsteuerungen, insbesondere bei feldorientierter Regelung (FOC), unerlässlich. Sie liefert die Grundlage für Drehmomentregelung, Regelkreisstabilität und die Erkennung ungewöhnlicher Betriebszustände. Beide Evaluierungsplattformen verfügen über eine integrierte Strommessschaltung, mit der sie die Phasenströme des Wechselrichters überwachen können. Sie können diese Messungen an eine externe Motorsteuerung anschließen, um Regelalgorithmen mit geschlossenem Regelkreis zu verwenden. Die Sensorik ist so konzipiert, dass sie über eine ausreichende Bandbreite und Genauigkeit verfügt, um Schaltfrequenzen zu verarbeiten, die deutlich höher sind als die in Standard-Motorantrieben auf Siliziumbasis verwendeten. Beide Referenzdesigns enthalten Schutzsysteme, um die Leistungsstufe sicher zu halten. Wenn ein Fehler auftritt, benötigt die Wechselrichterstufe schnelle Schutzsysteme, die anormale Strompegel erkennen und die Leistungsstufe bei Bedarf abschalten können. Die Schutzfunktionen umfassen die Überstromerkennung, die sicherstellt, dass der Wechselrichter während der Entwicklung und Systemintegration sicher getestet werden kann.

Thermische Leistung

Wärmemanagement spielt eine entscheidende Rolle bei der Konstruktion von Hochleistungsmotorwechselrichtern, insbesondere wenn die hohen Schaltgeschwindigkeiten von GaN-Bauelementen genutzt werden. Obwohl GaN-Transistoren im Vergleich zu Silizium-MOSFETs typischerweise geringere Schaltverluste aufweisen, erfordert die hohe Leistungsdichte, die mit diesen Bauelementen erreicht werden kann, eine sorgfältige thermische Bewertung auf Systemebene.

Die thermische Leistung der Motorantriebsinverterplattform EPC9186HC2/HC3 wurde unter realistischen Betriebsbedingungen für Motorantriebe charakterisiert. Messungen wurden auf einem Motorprüfstand mit einem 48-V-DC-Bus durchgeführt, bei PWM-Schaltfrequenzen von 20 kHz, 50 kHz und 100 kHz und einer Totzeit von 75 ns. Die Tests wurden bei einer Umgebungstemperatur von 25,5 °C durchgeführt, sowohl mit natürlicher Konvektion als auch mit Zwangsluftkühlung. Unter natürlichen Konvektionsbedingungen kann die EPC9186HC2/HC3-Platine ohne Kühlkörper etwa 40 A_RMS pro Phase liefern, während mit einem Kühlkörper 70 A_RMS pro Phase erreicht werden können, wobei der Temperaturanstieg vom eGaN FET-Gehäuse zur Umgebung unter 50 °C liegt. Bei erzwungenem Luftstrom von etwa 400 LFM (Linear Feet per Minute) kann die Platine unter stationären Bedingungen Ströme von bis zu 150 A_RMS pro Phase liefern.

Der gemessene Temperaturanstieg der GaN-Bauelemente in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz und der Kühlungskonfiguration ist in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt, basierend auf den Ergebnissen der thermischen Charakterisierung des EPC9186HC2/HC3 Evaluierungsboards. Eine ähnliche thermische Charakterisierung wird für die EPC91202 Dreiphasen-Wechselrichter-Evaluierungsplattform berichtet, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Zusammenfassung der thermischen Leistung des EPC91202-Boards zeigt, dass der Inverter bei Betrieb auf einem Motorprüfstand bei einer Umgebungstemperatur von 24 °C, einer 48-V-Gleichstromversorgung, einer PWM-Schaltfrequenz von 100 kHz und natürlicher Konvektionskühlung ohne Kühlkörper etwa 25 A_eff pro Phase und mit angebrachtem Kühlkörper für natürliche Konvektion bis zu 32,5 A_eff pro Phase liefern kann, wobei die Temperaturerhöhung vom eGaN-FET-Gehäuse zur Umgebung unter 50 °C gehalten wird. Die Temperaturmessungen wurden unter stationären Bedingungen aufgezeichnet.

Schlussfolgerung

GaN-Leistungsbauelemente ermöglichen im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen auf Siliziumbasis erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Schaltgeschwindigkeit, Effizienz und Leistungsdichte. Diese Eigenschaften machen die GaN-Technologie besonders attraktiv für moderne Motorantriebssysteme, einschließlich Robotik, industrielle Automatisierung und batteriebetriebene Anwendungen.

Die Platinen EPC9186HC2/HC3 und EPC91202 bieten praktische Werkzeuge zur Bewertung von GaN-basierten Motorumrichter-Architekturen. Durch die Integration der Leistungsstufe, der Sensorik und der Schutzfunktionen ermöglichen diese Plattformen Ingenieuren, GaN-basierte Motorantriebslösungen unter realistischen Betriebsbedingungen schnell zu prototypisieren und zu bewerten. (mr)

[1] GaN Power Devices for Efficient Power Conversion, Fourth Edition – von Alex Lidow, Michael de Rooij, John Glaser, Alejandro Pozo Arribas, Shengke Zhang, Marco Palma, David Reusch, Johan Strydom.

[2] IEEE, Auswirkungen von Hochfrequenz- und hohem dv/dt-Umgebungen auf die Messqualität von GaN-basierten Wandlern.

[3] Efficient Power Conversion (EPC), EPC9186HC2/HC3 – Three-Phase BLDC Motor Drive Inverter Evaluation Board – Quick Start Guide, EPC, El Segundo, CA, USA.

[4] Efficient Power Conversion (EPC), EPC91202 – Three-Phase BLDC Motor Drive Inverter Evaluation Board – Quick Start Guide, EPC, El Segundo, CA, USA.

[5] Efficient Power Conversion (EPC), EPC2361 – 100 V 750 μΩ e-mode GaNFET – Datenblatt, EPC, El Segundo, CA, USA.

* Maurizio Di Paolo Emilio ist Marcom Director bei Efficient Power Conversion (EPC), Marco Palma ist Direktor, Motor Drives Systems and Applications bei Efficient Power Conversion (EPC).

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