Melchioni Ready Melchioni Ready
Melchioni Ready Melchioni Ready https://www.melchionielectronics.com/static/version1668502228/frontend/Melchioni/electronics/it_IT/images/logo.png
Via Pietro Colletta, 37 20135 Milano Milano Italy
+39 02 4948 6000 clienti@melchioni-ready.com customer service

Progetto di riferimento da 1 kW in GaN per e-bike a pedalata assistita

I transistor e i circuiti integrati in GaN permettono di aumentare la densità di potenza nelle applicazioni di pilotaggio dei motori elettrici. L’ottimizzazione del lay-out permette di ottenere forme d'onda in uscita senza oscillazioni e segnali puliti per la ricostruzione della corrente. EPC presenta un progetto di riferimento per il controllo del motore dell biciclette a pedalata assistita.

Marco Palma, Director of Motor Drive Systems and Applications presso Efficient Power Conversion

Introduzione

In molte applicazioni dell’elettronica, come le biciclette a pedalata assistita, si richiede agli inverter che pilotano i motori elettrici la capacità di gestire correnti anche molto elevate, pur rimanendo compatti e leggeri. Si tratta di una grande sfida per i progettisti, in quanto potenza, dimensioni e peso sono sempre state caratteristiche che richiedono scelte opposte. Nelle applicazioni alimentate a batteria, ogni centimetro cubo di spazio occupato e ogni grammo di peso risparmiato consentono di garantire un tempo di funzionamento più lungo tra due ricariche della batteria. I transistor FET in nitruro di gallio (GaN) di Efficient Power Conversion aiutano i progettisti ad aumentare la densità di potenza e vincere questa impegnativa sfida.

Scheda di valutazione sezione di potenza pilotaggio motori e-bike EPC9167 e EPC9167HC

Il transistor FET eGaN® EPC2065 da 80 V e 2,7 mΩ tipici è un candidato ottimale per le applicazioni di potenza in cui la tensione del bus in corrente continua è inferiore a 70 VDC. Negli azionamenti dei motori delle ebike, la frequenza di modulazione PWM viene di solito mantenuta sui 20 kHz e i tempi morti sono superiori ai 500 nanosecondi. In questi casi, la resistenza di conduzione (RDSON) del dispositivo usato come commutatore (switch) è il parametro principale che i progettisti osservano con più attenzione. La capacità di dissipazione termica, in particolare, la resistenza termica giunzione-contenitore del dispositivo, Rθjc, è il secondo parametro per importanza da tenere in considerazione. Le soluzioni convenzionali basate sui transistor MOS utilizzano uno o più dispositivi in parallelo per ogni switch inseriti in contenitori (package) da 3 x 3 mm montati su PCB, lasciando che quest’ultimo faccia da veicolo per il calore da dissipare.

La scheda di valutazione EPC9167 ospita i transistor EPC2065 e tutto quanto necessario per pilotare un motore, tranne il microcontrollore. Può funzionare con una tensione massima del bus in continua pari a 70 VDC e una corrente di fase massima di 30 ARMS. Il controller del motore può essere scelto tra quelli disponibili sul mercato e può essere collegato utilizzando l'apposita scheda di accoppiamento fornita da EPC. Nella figura 1, da sinistra a destra, si possono osservare il connettore per i segnali di controllo, il circuito di condizionamento dei segnali di retroazione di tensioni e correnti verso il microcontrollore esterno, il banco di condensatori ceramici, l'inverter trifase con le resistenze di shunt poste sulle uscite delle fasi (in-phase shunt) oppure sui rami inferiori del circuito a semiponte di commutazione (leg shunt) e, infine, il connettore del motore.

Evaluation Boards

Progetto di rifermento per una rapida prototipazione

Il circuito stampato (PCB) della scheda di riferimento EPC9167 è stato sbrogliato seguendo le regole per il layout ottimale indicate da EPC, che garantiscono la minima induttanza del collegamento di potenza (power loop). Il criterio principale da seguire è la simmetria nella disposizione dei componenti e il confinare l’intero percorso ad alta frequenza nella faccia superiore e nel primo strato interno del circuito stampato.

Quando si utilizzano dei transistor eGaN FET o uno stadio di potenza integrato GaN ePowerTM in un inverter per il pilotaggio di motori, per misurare la corrente istantanea è molto frequente l’utilizzo di un resistore shunt sull’uscita delle fasi (in-phase shunt) insieme a un circuito integrato isolato (funzionalmente o galvanicamente), che estrae il piccolo segnale differenziale ai capi del resistore shunt sovrapposto alla tensione di modo comune della fase d’uscita del commutatore. Questo approccio ha il vantaggio di poter accedere continuativamente al segnale della corrente di fase sull’intero periodo PWM. Tuttavia, rispetto alla soluzione di inserire i resistori shunt nel ramo inferiore del circuito a semiponte di commutazione (leg shunt), ha un costo maggiore e una minore larghezza di banda, per cui potrebbe essere d’ostacolo all’adozione di inverter con semiconduttori GaN per il pilotaggio di motori.

La scheda EPC9167 dà la possibilità di valutare entrambe le soluzioni per decidere quale sia quella più adatta alla propria applicazione. Infatti, ospita sia i resistori shunt in-phase da 1 mΩ che i resistori leg shunt da 1 mΩ per ciascuna cella di commutazione. Il guadagno di amplificazione, l’offset e la polarità sono gli stessi per entrambi i circuiti, pertanto si può collegare a piacere uno dei due schemi per la misura della corrente al microcontrollore esterno, senza dover apportare alcuna modifica al firmware.

La scheda EPC9167 ha due versioni: la EPC9167 ha sei dispositivi EPC2065 per l’inverter, la EPC9167HC ha 12 dispositivi EPC2065. La scelta della versione dipende dalla e-bike che si vuole progettare e dall’accelerazione che si vuole fornire all’utente finale. Entrambe le schede vengono vendute provviste di dissipatore. Il progettista può decidere se rimuoverlo o no. I dispositivi GaNFET EPC sono più efficienti dei MOS, specialmente se li si mette a contatto con uno chassis metallico sul lato superiore.

L’inverter EPC9167 con transistor GaN EPC2065 può essere facilmente utilizzato con frequenza di commutazione a 100 kHz e tempi morti (dead time) da 50 ns. Il vantaggio è che la tensione d'ingresso e l'ondulazione residua (ripple) della corrente diminuiscono, dando così la possibilità di rimuovere i condensatori elettrolitici e usare solo i condensatori ceramici, che sono più piccoli, più leggeri e più affidabili. A tale frequenza non è più necessario filtrare i cavi della batteria per la compatibilità elettromagnetica.

Per maggiori informazioni

Molte applicazioni con motori alimentati a batteria stanno passando dall’utilizzo dei convenzionali transistor MOSFET in silicio, che lavorano a basse frequenze PWM, agli inverter con transistor GaN, che possono funzionare a frequenze PWM molto più alte, con il vantaggio di poter ridurre le dimensioni e il peso dell’inverter senza sacrificare l'efficienza complessiva del sistema. Con un adeguato circuito di pilotaggio del gate e un layout ottimale, le forme d'onda di commutazione rimangono pulite e la velocità di variazione dv/dt risulta facilmente gestibile.

Maggiori informazioni su EPC, i transistor GaN e il progetto della scheda EPC9167 possono essere trovate cliccando qui

Per informazioni commerciali contattateci