Mehr Leistungsfähigkeit dank GaN Vereinfachte Motor-Wechselrichter mit GaN

Anbieter zum Thema

FAULHABER Antriebssysteme

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Batteriebetriebene Industriefahrzeuge wie Gabelstapler oder automatische Lagerfahrzeuge benötigen Hochstrom-Wechselrichter zum Antrieb der Elektromotoren. Galliumnitrid (GaN) eröffnet dabei neue Möglichkeiten in Bezug auf Leistungsfähigkeit und vereinfacht dabei auch noch das Design des Wechselrichters.

Ein Wechselrichter für Gabelstapler wird mit einer Gleichspannung zwischen 24 und 120 V betrieben und kann bis zu 900 A_eff Motorphasenstrom liefern. Generell verfolgt jeder Hersteller einen modularen Baukasten-Ansatz und verkauft Produktserien, die nach Spannungsbereichen unterteilt sind, wobei die Wechselrichter auf den maximalen Strom ausgelegt sind, der für eine gewisse Übergangszeit (z. B. zwei min) erreicht werden kann.

Ein typischer Wechselrichter für diese Anwendungen befindet sich in einem IP65-Gehäuse (Beispiel: 150 mm x 120 mm x 60 mm) mit einer dicken Aluminium-Grundplatte. Im Inneren sind die Leistungstransistoren auf eine IMS-Platine (Insulated Metal Substrate) gelötet, die thermisch und mechanisch mit der Aluminium-Trägeplatte verbunden ist. Oberhalb der IMS-Platine befindet sich eine sehr dicht gepackte Leiterplatte mit Gate-Treibern, analoger Signalaufbereitung, Spannungsreglern und mindestens zwei Mikroprozessoren, von denen einer für die Funktion und der andere für die Sicherheit zuständig ist. Um die Stromtragfähigkeit und die Abfuhr der Wärme aus Leitungs- und Schaltverlusten sicherzustellen, wurden die Transistoren parallelgeschaltet.

Bildergalerie

Derzeit dominiert die Silizium-MOS-Technologie den Markt, wobei physikalische und technische Beschrän­kungen die maximale Anzahl an parallel nutzbaren FETs limitieren. Somit ist hiermit der maximale Strom stark eingeschränkt. Die begrenzte PWM-Schaltfrequenz und die Totzeit zwischen komplementären Schaltern limi­tieren außerdem die Motoreffizienz. Mit GaN fallen nun diese Grenzen deutlich.

Vorteile von GaN

Die kritische Feldstärke in einem Halbleitermaterial bestimmt die Durchbruchspannung eines Bauelements. Je höher das elektrische Feld bei einer bestimmten Durchbruchsspannung ist, desto kürzer ist die Breite des Driftbereichs. In einem GaN-Transistor ist das kritische Feld um eine Größenordnung höher als in Silizium, und die Elektronenbeweglichkeit aufgrund des zweidimensio­nalen Elektronengases (2DEG) sorgt für einen niedrigen Durchlasswiderstand bei gleichzeitig geringen Abmessungen.

GaN ist planar – bei einem gegebenen Durchlass-/ON-Widerstand haben die Bauelemente Kapazitäten, die etwa eine Größenordnung niedriger sind als die ihrer Si-Pendants. Kleinere Abmessungen und Kapazitäten ermöglichen es, mehr Bauelemente auf demselben Substrat parallel zu schalten und mehr Strom zu verarbeiten. Darüber hinaus tragen kleinere Kapazitäten dazu bei, die PWM-Frequenz zu erhöhen und die Totzeit zu reduzieren, um die Motoreffizienz zu verbessern.

Vereinfachter Layout-Ansatz

GaN-Transistoren schalten schneller als entsprechende Si-MOSFETs. Frei nach Spiderman – „With great power
comes great responsibility“: Das Layout muss sorgfältig entworfen werden. Die Drain-Source-Leistungsschleifen und die Gate-Source-Schleifen sind empfindlich gegenüber parasitären Induktivitäten. Dies spielt bei Leistungswandlern eine Rolle, die über 200 kHz schalten müssen. GaN-Umrichter für Antriebe schalten mit bis zu 100 kHz, und das du/dt der Schaltung ist auf weniger als 10 V/ns eingestellt, um mit den Anforderungen an die Isolierung der Motorwicklung bei hohen Frequenzen kompatibel zu sein. Während die meisten Layout-Überlegungen weiterhin gelten, können andere gelockert werden, ohne das Endergebnis zu beeinträchtigen.

Grundlegende Layout-Richtlinien

Die Reduzierung parasitärer Induktivitäten und die Anwendung eines symmetrischen Ansatzes sind essenziell, dabei soll jedoch die Modularität nicht kompromittiert werden. Folgende drei Arten parasitärer Induktivitäten wirken sich negativ auf den Betrieb des Wechselrichters aus (Bild 1):

• 1. Common Source Parasitic Inductance (CSI) (Parasitäre Induktivität mit gemeinsamer Quelle) (Bild 1, grün gestrichelt): Der Rückweg des Gate-
  Signals eines GaN-FETs muss vom Hochstrompfad in den Source-Pads getrennt werden. Diese parasitäre Induktivität wirkt sich am stärksten nachteilig auf den Betrieb des Wandlers aus und ist der häufigste Fehler, der bei Designprüfungen auftritt. Die GaN-FETs von EPC verfügen nicht über eine Kelvin-Gate-Rückleitung, so dass diese Verbindung im PCB-Layout hergestellt werden muss [1].

• 2. Power Loop Parasitic Inductance (LLoop) (Parasitäre Induktivität der Leistungsschleife) (Bild 1, braun gestrichelt): Die Hochfrequenz-Strom­schleife, die DC+ und GND umfasst, muss eine niedrige Induktivität aufweisen, um Ringing zu reduzieren, welches zu Verlusten führt und die damit verbundenen elektromagnetischen Störungen (EMI) herbeiführt. Es hat sich gezeigt, dass das intern vertikal aufgebaute Layout mit der GND-Ebene die geringste Induktivität aufweist [3].

• 3. Gate Loop Parasitic Inductance (LGate) (Parasitäre Induktivität der Gate-Schleife) (Bild 1, magenta gestrichelt): Die empfohlenen und maximalen Spannungswerte für das Gate eines GaN-FETs sind strenger als bei Si-MOSFETs. Daher muss man gerade auf den Gate-Signalpfad achten, welcher immer mit der Gate-Rückleitung gekoppelt sein muss. Dies ist der zweithäufigste Fehler, der bei Designprüfungen auftritt. Bei der Parallelschaltung von FETs sollten alle Gate-Pfade die gleiche Impedanz haben, um die Spannungsgröße und -ausbreitung an jedem Gate anzugleichen.

Eine Folge dieser Regeln ist, dass es bei HF-GaN-Wandlern üblich ist, die Halbbrücken parallel zu schalten, anstatt die Halbleiter parallel anzuordnen. Ein Beispiel ist in Bild 2 dargestellt. Da die Schaltfrequenz elektrischer Antriebe langsamer als die eines HF-Wandler ist, wurde ein vereinfachter Ansatz mit dem Referenzdesign EPC9186 gewählt.

Layout-Ansatz des EPC9186

EPC bietet mehrere Referenzdesigns für Wechselrichter im Antriebssegment, welche mit GaN-FETs und integrierten GaN-ICs kommen. Alle Boards verfügen über das gleiche Blockschaltbild und den gleichen Controller- Anschluss. Dies soll den Entwickler dabei zu unterstützen, Strom und Spannung während der Designphase einer Wechselrichter-Serie zu skalieren.

Das neue EPC9186 misst 10 cm x 13,5 cm und ist der Leistungsteil eines Antriebs-Wechselrichters mit einer Nennspannung von 100 V und 150 A_eff Dauerstrom. Die FR4-
Leiterplatte mit 70 µm Kupferdicke besitzt einen 10-lagigen Aufbau. Zusätzlich wurden Hilfsstromversorgungen implementiert, um 5 V und 3,3 V aus dem Gleichstrombus zu erzeugen. Ebenfalls integriert sind Schaltungen zur Messung der Phasenspannung, Strommessschaltungen und Überstromschutz-Komparatoren. Der Wechselrichter des EPC9186 kann mit einem EPC9147x-Controller gepaart werden, sodass Entwickler ihren bevorzugten Motion-Controller verwenden können.

Die Schaltzelle des EPC9186 besteht aus vier parallel geschalteten EPC2302-Transistoren, die in einem vereinfachten Layout angeordnet sind, welches den Aufbau der Parallelschaltung von GaN-FETs etwas vereinfacht. Der Gate-Treiber befindet sich auf der linken Seite der Schaltzelle. Die Low- und High-Side-GaN-FETs sind in zwei Reihen in Richtung des Phasenanschlusses platziert.

Bild 3 zeigt das EPC9186-Board und die Details der Schaltzelle, wobei L1 und H1 die Low- und High-Side-Transistoren sind, die dem Gate-Treiber am nächsten sind. L4 und H4 sind die Transistoren, die am weitesten vom Gate-Treiber entfernt sind. Der Motorphasen-Anschluss ist ebenfalls dargestellt.

Dieses Layout folgt teilweise der Regel 2) zum intern vertikal aufgebauten Layout, aus dem vorigen Abschnitt. D. h. die erste innere Lage ist eine GND-Verbindung, um die Induktivität der Leistungsschleife zu minimieren. Die Schaltzelle hat jedoch keine HF-Kondensatoren, da das du/dt beim Schaltvorgang niedrig ist. Die übliche Richtlinie, dass alle Gate-Signale gleich lang sein müssen, wird beim EPC9186 nicht strikt eingehalten, da die Länge des Gate-Pfads durch den Abstand zum Gate-Treiber zunimmt. Die Gate-Signale sind in zwei Lagen der entsprechenden Gate-Signalrückleitung gekapselt, welche als Abschirmung dienen. Um die gemeinsame Source-Induktivität zu verringern, wurden beiden Lagen mit einem Kelvin-Punkt pro Transistor verbunden.

Versuchsergebnisse des EPC9186

Tests haben gezeigt, dass der vereinfachte Ansatz für das Layout des Schaltzellen-Leistungsteils die Leistungsfähigkeit des Wechselrichters nicht beeinträchtigt. Bild 4 zeigt saubere Gate-Signale bei allen Transistoren, unabhängig von der Entfernung zum Gate-Treiber. Bild 5 zeigt die Belastbarkeit durch den stationären Phasenstrom als Funktion des akzeptierten Temperaturanstiegs. Der Dauerstrom hängt vom thermischen Zustand ab. Das Board wurde im Test mit einem Kühlkörper gekühlt, welcher durch einen Luftstrom von 2 m/sec aktiv gekühlt wurde.

Fazit

GaN-FETs von EPC sind kleiner als Silizium-MOSFETs und haben einen geringeren Wärmewiderstand zum Gehäuse, was eine doppelseitige Kühlung ermöglicht. Mehrere Bauelemente lassen sich parallel betreiben, um bei gleichem Gehäusevolumen des Wechselrichters mehr Strom zu tragen und um ein besseres Wärmemanagement zu ermöglichen. Dies kommt batteriebetriebenen Industriefahrzeugen wie Gabelstaplern, Hubwagen oder automatischen Lagerfahrzeugen zugute, die höhere Ströme bei geringerem Volumen benötigen. (mr)

Literatur

[1] A. Lidow, M. De Rooij, J. Strydom, D. Reusch, J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion. 3. Ausgabe, Wiley. ISBN 978-1-119-59414-7

[2] A. Lidow, GaN Power Devices and Applications. Kapitel 6, 1. Ausgabe, Power Conversion Publications. ISBN 978-0-9966492-2-3

[3] D. Reusch und J. Strydom, „Understanding the effect of PCB layout on circuit performance in a high-frequency gallium nitride based point of load converter“, 2013, 28. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, USA, 2013, pp. 649-655, doi: 10.1109/APEC.2013.6520279.

[4] https://epc-co.com/epc/products/gan-fets-and-ics/epc2302

[5] https://epc-co.com/epc/products/demo-boards/epc9186

[6] https://epc-co.com/epc/products/demo-boards/epc9147c

[7] https://epc-co.com/epc/markets-and-applications/industrial/motor-drive

[8] https://www.atech-antriebstechnik.de/en/motiontechnology/zapi-inverters-controller-l-motor-controller-steering-systems

* Marco Palma ist Director Motor Drives Systems and Applications bei Efficient Power Conversion.

(ID:49912349)