Progetto di riferimento da 1 kW in GaN per e-bike 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. I transistor FET in nitruro di gallio (GaN) di Efficient Power Conversion aiutano i progettisti ad aumentare la densità di potenza e a vincere questa impegnativa sfida.

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

Il transistor FET eGaN® EPC2065 da 80 V e 2,7 mΩ tipici è un candidato ottimale per applicazioni di potenza in cui la tensione del bus in corrente continua è inferiore a 70 VDC. Negli azionamenti dei motori delle e-bike, la frequenza di modulazione PWM viene di solito mantenuta sui 20 kHz e i tempi morti sono superiori ai 500 ns. In questi casi, la resistenza di conduzione (RDS(on)) del dispositivo usato come commutatore (switch) è il parametro principale che i progettisti osservano con maggiore 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 su MOSFET utilizzano uno o più dispositivi in parallelo per ogni switch in package da 3 × 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 tensione massima del bus in continua pari a 70 VDC e una corrente di fase massima di 30 A_RMS. 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 (leg shunt) e, infine, il connettore del motore.

Progetto di riferimento per una rapida prototipazione

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

Quando si utilizzano transistor eGaN FET o uno stadio di potenza integrato GaN ePower™ in un inverter per pilotaggio motori, la misura della corrente istantanea viene spesso realizzata con 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 dello shunt sovrapposto alla tensione di modo comune della fase. Questo approccio consente l’accesso continuo al segnale di corrente per l’intero periodo PWM. Tuttavia, rispetto alla soluzione con shunt nel ramo inferiore del semiponte (leg shunt), ha costo maggiore e minore larghezza di banda, e può ostacolare l’adozione del GaN in alcune applicazioni.

La scheda EPC9167 permette di valutare entrambe le soluzioni: ospita sia resistori shunt in-phase da 1 mΩ sia resistori leg shunt da 1 mΩ per ciascuna cella di commutazione. Guadagno, offset e polarità sono gli stessi per entrambi i circuiti: si può quindi collegare a piacere uno dei due schemi al microcontrollore esterno senza modificare il firmware.

La EPC9167 ha due versioni: EPC9167 con sei dispositivi EPC2065 per l’inverter ed EPC9167HC con 12 dispositivi EPC2065. La scelta dipende dalla e-bike che si vuole progettare e dall’accelerazione desiderata. Entrambe le schede sono vendute con dissipatore: il progettista può decidere se rimuoverlo o meno. I dispositivi GaN FET EPC sono più efficienti dei MOSFET, soprattutto se messi a contatto con uno chassis metallico sul lato superiore.

L’inverter EPC9167 con transistor GaN EPC2065 può essere utilizzato con frequenza di commutazione fino a 100 kHz e tempi morti (dead time) da 50 ns. Il vantaggio è una minore ondulazione (ripple) della corrente e la possibilità di eliminare i condensatori elettrolitici usando solo ceramici, più piccoli, leggeri e affidabili. A tale frequenza può non essere più necessario filtrare i cavi batteria per la compatibilità elettromagnetica.

Per maggiori informazioni

Molte applicazioni con motori alimentati a batteria stanno passando dai convenzionali MOSFET in silicio, che lavorano a basse frequenze PWM, agli inverter con transistor GaN, capaci di funzionare a frequenze PWM più alte, con il vantaggio di ridurre dimensioni e peso senza sacrificare l’efficienza complessiva. Con un adeguato driver di gate e un layout ottimale, le forme d’onda di commutazione rimangono pulite e la dv/dt risulta gestibile.

Maggiori informazioni su EPC, sui transistor GaN e sul progetto della scheda EPC9167 sono disponibili cliccando qui.

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