GaN-Technologie für Robotik und Automation Mehr Dynamik für Niederspannungsantriebe

GaN-Leistungsstufen ermöglichen hohe Schaltfrequenzen. Bei Motorantrieben steigert dies Effizienz und Regelpräzision. Entscheidend ist dabei das optimale Zusammenspiel von Leistungshalbleitern, Sensorik, Wärmemanagement und Software.

Das rasante Wachstum in der industriellen Automatisierung, bei kollaborativen Robotern, autonomen mobilen Robotern (AMRs), Drohnen und präzisen Servosystemen treibt die Notwendigkeit einer neuen Generation von Niederspannungsantrieben voran, um höhere Effizienz, größere Leistungsdichte und verbesserte dynamische Leistung zu bieten. Früher waren Silizium-MOSFETs die gängigste Schalttechnologie für diesen Spannungsbereich, aber heutzutage ermöglichen Gallium-Nitrid (GaN) Leistungshalbleiter Inverterarchitekturen, die bei viel höheren Schaltfrequenzen arbeiten können, wodurch die Motoreffizienz verbessert wird, ohne die Effizienzverluste, die traditionell mit Silizium verbunden sind. Die Anforderungen an das Design von Antrieben unterscheiden sich von denen der Stromversorgungswandler in Rechenzentren, da sie gleichzeitig mehrere Leistungsparameter optimieren müssen. Neben der Effizienz muss die Designoptimierung auch niedrige Drehmomentwelligkeit, niedrigen akustischen Geräuschpegel, hohe Bandbreite des Stromregelkreises, geringe elektromagnetische Störungen (EMI), komplexes Wärmemanagement und insgesamt reduzierte Systemgröße berücksichtigen. Neueste 100 V GaN-Leistungsstufen zeigen die Möglichkeit, diese Ziele gleichzeitig zu erreichen, indem die Leistungshalbleiter sowie die umgebende Systemarchitektur sorgfältig optimiert werden.

Diese Entwicklung wird durch Evaluierungsplattformen wie die EPC91124 und EPC91125 veranschaulicht. Basierend auf der neuesten Generation von 100 V Enhancement-Mode GaN-FETs arbeiten diese dreiphasigen BLDC-Inverterplattformen mit Eingangsspannungen von 18 bis 80 V, erlauben PWM-Frequenzen von bis zu 100 kHz (maximal 150 kHz) und bieten kontinuierliche Phasenströme von 30 bis 35 A_RMS, abhängig von der gewählten Leistungsstufe. Sie sind nicht nur Leistungskarten, sondern kompakte Entwicklungsplattformen zur Bewertung leistungsfähiger Motorsteuerungen und integrieren Gate-Treiber, Messschaltungen, Hilfsspannungsversorgungen und Steuerungsschnittstellen.

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Überwindung der 20-kHz-Grenze

Die meisten industriellen Antriebe arbeiten weiterhin bei Schaltfrequenzen zwischen 10 und 20 kHz, da die Schaltverluste in Silizium-MOSFETs mit steigender Frequenz schnell zunehmen. Obwohl dieser Betriebsbereich gut etabliert ist, bringt er mehrere Kompromisse mit sich. Größere magnetische Bauelemente und DC-Link-Elektrolytkondensatoren sind erforderlich, die Stromwelligkeit nimmt zu, die Steuerbandbreite ist begrenzt, und Motorgeräusche liegen häufig noch im menschlichen Hörbereich. GaN-Bauelemente verändern diesen Zielkonflikt erheblich.

Dank ihrer extrem niedrigen Gate-Ladung und Ausgangskapazität ermöglichen 100-V-eGaN-FETs einen effizienten Betrieb bei PWM-Frequenzen von etwa 100 kHz, wodurch Designer die Größe passiver Komponenten reduzieren und gleichzeitig die Stromregelung und Transientenreaktion verbessern können. Höhere Schaltfrequenzen verbessern die Motoreffizienz, indem sie die Phasenstromwelligkeit reduzieren, die Drehmomentwelligkeit und die akustischen Emissionen senken – wichtige Eigenschaften in kollaborativen Robotern, Präzisionsservoantrieben, medizinischen Geräten und schnellen Anwendungen in der Industrieautomation.

GaN ermöglicht es Designern, die Gesamtleistung des Systems zu verbessern, die Effizienz zu steigern und gleichzeitig die Größe des Wechselrichters zu reduzieren.

Optimierung der Schaltgeschwindigkeit

Eine der häufigsten Fehlannahmen bei der GaN-Technologie ist, dass Schaltübergänge immer so schnell wie möglich erfolgen sollten. Tatsächlich erzielen Motorantriebe mit kontrollierten Flankensteilheiten von weniger als 10 V/ns häufig die besten Ergebnisse. Sehr schnelle Spannungsübergänge von mehr als 50 V/ns können erhöhte Gleichtaktströme über Motorleitungen und Lager verursachen. Dies kann zu EMV-Problemen und zum Versagen der Wicklungsisolation führen. Daher wird die Flankensteilheit in praktischen GaN-Antriebsdesigns häufig gezielt begrenzt. Die hier beschriebenen Wechselrichterplattformen sind auf Werte von etwa 10 V/ns ausgelegt – ein guter Kompromiss zwischen Effizienz und EMV-Verhalten.

Integrierte Messung und Steuerung

Mit steigenden Schaltfrequenzen wird eine präzise Messwerterfassung immer wichtiger. Eine breitbandige Stromrückführung ist unerlässlich für die Implementierung der feldorientierten Regelung (FOC) und fortschrittlicher Drehmomentregelungsalgorithmen.

Beide Wechselrichterplattformen erfassen die Ströme aller drei Phasen mithilfe von Hall-Effekt-Sensoren. Mit einer Empfindlichkeit von 13,2 mV/A, einer Bandbreite von 250 kHz und einem Messbereich von etwa ±125 A ermöglichen sie eine präzise Rekonstruktion der Phasenströme. Die Spannungsüberwachung erfolgt für alle Motorphasen und den Gleichstrombus über Widerstandsteiler mit einem Verstärkungsfaktor von 29,22 mV/V, während die analogen Ausgänge im Standardbereich von 0 bis 3,3 V bleiben, der von modernen Mikrocontrollern verwendet wird. Die Platinen integrieren:

• Dreiphasen-Spannungserfassung,

• Überwachung der DC-Bus-Spannung,

• Onboard-Temperaturmessung,

• geregelte 5,2-V- und 3,3-V-Hilfsspannungsversorgungen,

• Interface für Quadraturencoder und Hall-Sensoren,

• Unterspannungsschutz,

• umfassende Testpunkte zur Charakterisierung der Leistungsstufe.

Die Steuerlogik-Schnittstelle akzeptiert Standard-3,3-V-PWM-Eingangssignale, weist eine Propagationsverzögerung von etwa 50 ns auf und unterstützt minimale Eingangspulsbreiten von 120 ns, was sie für hochfrequente digitale Motorsteuerungsimplementierungen geeignet macht. Zusätzliche ist eine Kompatibilität mit mehreren weit verbreiteten Controller-Ökosystemen, einschließlich Microchip dsPIC, Texas Instruments C2000, STMicroelectronics STM32 und Renesas RAx-Plattformen vorhanden.

Die Optimierung der Totzeit wird wichtiger

Der Umstieg von Silizium-MOSFETs auf GaN bedeutet nicht nur den Austausch der Schaltelemente. Bei herkömmlichen Si-Invertern werden relativ lange Totzeiten verwendet, um ein gleichzeitiges Durchschalten beider Transistoren zu vermeiden. Lange Totzeiten sind sicher, erhöhen jedoch die Rückwärtsleitverluste und verursachen Verzerrungen der Wellenform.

GaN-Bauelemente besitzen keine intrinsische Bodydiode, können Rückstrom jedoch über den Kanal leiten. Dadurch lassen sich die Totzeiten deutlich verkürzen. Werte von etwa 50 ns minimieren die Rückwärtsleitverluste und verbessern gleichzeitig die Phasenstromqualität.

Interessanterweise verfügen die Wechselrichterplattformen über optionale antiparallele Siliziumdioden. Diese sind für den normalen Betrieb von GaN nicht erforderlich, bieten jedoch zusätzlichen Schutz, wenn Designer versehentlich die Platine mit einer Firmware testen, die ursprünglich für Silizium-MOSFET-Wechselrichter mit längeren Totzeiten entwickelt wurde.

Diese Designentscheidung hebt eine der praktischen Überlegungen bei der Einführung von GaN hervor: Die beste Leistung hängt ebenso von der Hardwareauslegung ab wie von der Firmware-Optimierung.

Dynamische Bedingungen

Selten werden die Betriebsbedingungen moderner Robotik- oder Industriesysteme nur durch Dauerstromangaben beschrieben. Bewegungssteuerungsanwendungen sehen sich oft schnell wechselnden Lastprofilen gegenüber, einschließlich Beschleunigung, Verzögerung und kurzen Drehmomentspitzen.

Die Evaluierungsplattformen wurden unter realen Betriebsbedingungen thermisch charakterisiert. Die Messungen erfolgten bei einer Eingangsspannung von 48 V, einer PWM-Frequenz von 100 kHz, einer Totzeit von 50 ns und einer Umgebungstemperatur von 26 °C. Die Hochstromplattform ermöglicht einen Dauerbetrieb mit etwa 30 A_RMS ohne Kühlkörper und mit 35 A_RMS bei passiver Kühlung.

Bei gepulsten Drehmomentprüfungen treten während kurzer transienter Ereignisse Stromspitzen von etwa 65 A peak auf. Ähnliche Tests der zweiten Plattform bestätigen eine gute transiente Belastbarkeit trotz ihrer geringeren Dauerstrombelastbarkeit. Diese Ergebnisse heben die Bedeutung der Bewertung der transienten thermischen Impedanz hervor, anstatt sich nur auf stationäre Spezifikationen zu verlassen.

Der thermischen Auslegung kommt dabei eine entscheidende Bedeutung zu. Die Rückseite des GaN-Bauelements ist nicht elektrisch isoliert; daher muss ein elektrisch isolierendes thermisches Schnittstellenmaterial gleichzeitig eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, hohe dielektrische Festigkeit und ausreichende mechanische Nachgiebigkeit aufweisen. Geeignete thermische Schnittstellenmaterialien ermöglichen es passiven Kühlkörpern, die Dauerstrombelastbarkeit zu erhöhen, ohne die elektrische Isolation oder die langfristige Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

Auswahl der geeigneten Leistungsstufe

Obwohl die beiden Wechselrichterplattformen dieselben Leiterplattenabmessungen (79 mm × 80 mm), dieselbe Sensorarchitektur, Controller-Kompatibilität und Softwareumgebung aufweisen, sind sie für unterschiedliche Betriebspunkte ausgelegt. Die Plattform EPC91124 verwendet den 3 mm × 5 mm großen 100-V-eGaN-FET EPC2361 mit einem typischen R_DS(on) von 0,75 mΩ. Sie unterstützt einen Dauerstrom von 35 A_RMS und einen Spitzenstrom von 45 A_RMS und eignet sich damit für größere Servomotoren, industrielle Aktuatoren und Robotikanwendungen mit höherem Drehmoment.

Die Plattform EPC91125 verwendet den 3,3 mm × 3,3 mm großen 100-V-eGaN-FET EPC2367 mit einem typischen R_DS(on) von 1,2 mΩ. Sie unterstützt einen Dauerstrom von 30 A_RMS und einen Spitzenstrom von 40 A_RMS.

Damit bietet sie eine Alternative mit attraktivem Preis-Leistungs-Verhältnis, ohne Änderungen an Firmware, Controller-Hardware oder Leiterplattenarchitektur zu erfordern. (mr)

* Maurizio Di Paolo Emilio ist Marcom Director bei Efficient Power Conversion (EPC). Marco Palma ist Vice President of Motor Drive Marketing and System Engineering bei Efficient Power Conversion (EPC).

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