Cerințele impuse sistemelor moderne de control al motoarelor sunt în continuă creștere: acestea trebuie să ofere o eficiență mai ridicată, să permită proiecte mai compacte și să asigure un control din ce în ce mai precis. Prin combinarea semiconductorilor cu bandă interzisă largă cu o arhitectură flexibilă de microcontroler, aceste cerințe tot mai exigente pot fi abordate cu soluții pregătite pentru aplicațiile viitorului.
Sistemele de control al motoarelor se află sub o presiune tot mai mare din perspectiva dezvoltării: trebuie să devină mai eficiente, mai compacte și mai precise. Fie că este vorba despre robotică, drone, instalații industriale sau aplicații de micromobilitate, sunt necesare soluții capabile să ofere performanțe superioare în spații de instalare tot mai reduse. Semiconductorii cu bandă interzisă largă, în special cei pe bază de nitrură de galiu (GaN), joacă un rol-cheie în acest sens.
Tehnologia cu bandă interzisă largă este în ascensiune
Spre deosebire de MOSFET-urile tradiționale din siliciu, tranzistoarele GaN oferă numeroase avantaje importante (Figura 1).
Figura 1: Tranzistoare CoolGaN™ în diverse variante de capsule. (Sursă: Infineon)
Un avantaj major îl reprezintă viteza de comutație semnificativ mai mare, care permite frecvențe de comutație de până la ordinul megahertzilor. Astfel, pot fi utilizate componente pasive mai mici, precum inductoare și condensatoare, ceea ce conduce la soluții mai compacte și mai ușoare. În același timp, comutația rapidă reduce pierderile de comutație, sporind eficiența convertoarelor DC/DC, a invertoarelor și a sistemelor de control al motoarelor.
Tranzistoarele GaN ating o densitate de putere mai mare datorită capacității de a suporta tensiuni și curenți mai ridicați. Acest aspect este deosebit de avantajos în aplicațiile de înaltă frecvență și de control precis. În plus, pierderile mai mici de energie reduc disiparea termică, permițând utilizarea unor soluții de răcire mai compacte sau chiar pasive și diminuând cerințele de management termic.
Un alt avantaj tehnic îl reprezintă sarcina de poartă (QG) mai mică a tranzistoarelor GaN, care permite un control mai rapid și mai eficient din punct de vedere energetic. Acest lucru este deosebit de benefic pentru aplicațiile de înaltă frecvență și pentru sistemele de control de precizie. În plus, GaN se caracterizează printr-o robustețe ridicată la tensiuni mari, deoarece materialul suportă câmpuri electrice mai intense decât siliciul. Această caracteristică face ca tranzistoarele GaN să fie deosebit de potrivite pentru aplicații de înaltă tensiune, precum electromobilitatea și tehnologia acționărilor industriale.
Infineon oferă o gamă largă de tranzistoare GaN. Tabelul de mai jos prezintă o comparație între câteva tranzistoare GaN selectate.
| Tip | Tensiune | R DS(on) (tip.) | ID (@25°C) max. | QG | Capsulă | Aplicații tipice |
| IGC033S101 | 100 V | 2.4 mΩ | 75 A | 11 nC | PQFN 3×5 | Componentă de referință pentru controlul motoarelor de 48 V, drone și servomotoare |
| IGC037S12S1 | 120 V | 2.7 mΩ | 71 A | 10 nC | PQFN 3×5 | Pentru acționări industriale și aplicații cu tensiuni mai ridicate |
| IGC090S20S1 | 200 V | 6.7 mΩ | 46 A | 8.5 nC | PQFN 3×5 | Pentru tensiuni mai mari, de exemplu în electromobilitate sau servomotoare |
| IGC025S08S1 | 80 V | 1.8 mΩ | 86 A | 12 nC | PQFN 3×5 | Soluție compactă pentru aplicații în robotică și vehicule electrice de mică viteză |
| IGC019S06S1 | 60 V | 1.3 mΩ | 99 A | 13 nC | PQFN 3×5 | Rezistență în stare de conducție deosebit de scăzută, ideală pentru sisteme de 48 V |
Tabelul 1: Comparație între diverse tranzistoare GaN de la Infineon
O nouă abordare a controlului motoarelor
Proprietățile speciale ale tranzistoarelor din nitrură de galiu deschid noi posibilități pentru controlul motoarelor, în special în cazul motoarelor de curent continuu fără perii (BLDC), al servomotoarelor, al aplicațiilor robotice și al altor sisteme de acționare electrică.
Figura 2: Microcontrolerul PSOC™ Control C3M, cu funcții periferice integrate pentru aplicații de control al motoarelor. (Sursă: Infineon)
Cu toate acestea, tranzistoarele GaN necesită uneori circuite de comandă a porții mai sofisticate. Alte provocări de proiectare decurg din diferitele tipuri de tranzistoare GaN, precum cele în mod de epuizare și cele în mod de îmbogățire. Totuși, aceste provocări pot fi depășite prin integrarea unor drivere de poartă specializate și a unor funcții de management și protecție, permițând exploatarea întregului potențial al tehnologiei GaN în sistem.
Un exemplu practic în acest sens este un sistem de control BLDC de 48 V, cu o putere de 308 wați și până la 4.000 de rotații pe minut. Creșterea frecvenței controlului orientat după câmp (FOC) de la 20 kHz la 100 kHz, combinată cu utilizarea tranzistoarelor GaN și a microcontrolerului PSOC™ Control C3, sporește eficiența de la 89% la peste 96% (Figura 2). În același timp, temperatura motorului scade de la 68°C la 55°C, în timp ce componentele GaN rămân stabile.
Avantaje practice pentru controlul motoarelor de înaltă frecvență
Această combinație oferă numeroase avantaje practice: eficiență sporită datorită unei frecvențe de comutație mai ridicate, temperatură mai scăzută a motorului, un design mai compact datorită cerințelor de răcire mai reduse și componentelor de dimensiuni mai mici, precum și o funcționare mai silențioasă și mai lină a motorului, cu riplu de curent și variații ale cuplului minimizate. În plus, controlul precis și mecanismele de protecție integrate sporesc siguranța și stabilitatea sistemului, de exemplu prin prevenirea suprasolicitărilor.
Aceste avantaje fac tehnologia deosebit de interesantă pentru aplicații precum brațele robotizate, sistemele de propulsie pentru drone, servosistemele industriale și vehiculele electrice ușoare. Dotat cu funcții PWM de înaltă rezoluție, convertoare analog-digitale (ADC) rapide, unități CORDIC și DSP integrate, microcontrolerul oferă o bază de control puternică. Aceasta simplifică implementarea algoritmilor complecși de control și permite un control precis orientat după câmp, chiar și la viteze mari. Mediul de dezvoltare ModusToolbox™ Motor Suite oferă biblioteci software și instrumente gata de utilizare, care reduc timpul de dezvoltare. În plus, acesta include caracteristici de securitate PSA Level 2 pentru proiectarea unor sisteme sigure și fiabile.
Placa de evaluare ca bază pentru dezvoltare
KIT_PSC3M5_CC2 de la Infineon este o placă de evaluare compactă, care oferă dezvoltatorilor o bază versatilă pentru evaluarea sistemelor de control al motoarelor (Figura 3). Placa este echipată cu un microcontroler PSOC™ Control C3M5, care oferă funcții PWM de înaltă rezoluție, convertoare analog-digitale (ADC) rapide, precum și unități CORDIC și DSP integrate. Prin intermediul unor interfețe standardizate pot fi conectate diverse niveluri de putere, tipuri de motoare și sisteme de senzori, ceea ce conferă plăcii o flexibilitate ridicată.
Figura 3: Placa de evaluare KIT_PSC3M5_CC2, cu depanator (debugger) integrat și conexiune MADK pentru integrarea rapidă a diverselor motoare. (Sursă: Infineon)
KIT-ul face parte dintr-un concept de platformă modulară și poate fi utilizat atât ca unitate de control autonomă, cât și împreună cu alte plăci de evaluare, cum ar fi etajele de putere GaN. Această modularitate permite dezvoltarea și testarea rapidă a diverselor topologii de control al motoarelor, inclusiv pentru motoare BLDC și motoare sincrone cu magneți permanenți (PMSM), precum și pentru aplicații multifazice mai complexe.
Suita ModusToolbox™ Motor oferă, de asemenea, instrumente practice pentru configurare, parametrizare în timpul rulării și parametrizare statică, analiză a semnalelor și o funcție de osciloscop cu rată de eșantionare ridicată. Ecosistemul este consolidat și mai mult prin disponibilitatea extinsă a proiectelor de referință și a kiturilor complete de evaluare, care permit o implementare și o integrare a sistemului deosebit de rapide.
Proiectanții beneficiază de prototipare accelerată, cicluri de dezvoltare mai scurte și o introducere mai ușoară în domeniul sistemelor de control al motoarelor de înaltă frecvență, bazate pe tehnologia GaN.
Concluzie
Combinația dintre electronica de putere cu bandă interzisă largă și tehnologia modernă de control constituie baza pentru sisteme de control al motoarelor compacte, eficiente și performante. Aceasta îmbină eficiența, inteligența și siguranța, fiind astfel ideală pentru robotică, industrie și electromobilitate.
Rutronik System Solutions lansează o placă de control al motoarelor de 48 V bazată pe tehnologia GaN pentru eficiență maximă
Asocierea inovatoare dintre PSOC™ C3M5 de la Infineon și etajul de putere RAK-GaN oferă performanță maximă, flexibilitate și un design compact.
Echipa de dezvoltare de la Rutronik System Solutions lucrează în prezent la o nouă placă de control al motoarelor, bazată pe placa de control PSOC™ C3M5 de la Infineon. În strânsă colaborare cu experții de la Infineon, este dezvoltat un concept complet nou pentru domeniul aplicațiilor de 48 V.
Placa integrează trei semipunți pentru motoare BLDC, care pot fi utilizate și pentru motoare convenționale de curent continuu. Toate componentele necesare pentru controlul puterii se află deja pe placă, inclusiv măsurarea curentului trifazic pe baza senzorilor de curent TMR și mai multe regulatoare de tensiune pentru alimentarea sistemului. Placa oferă, de asemenea, o semipunte pentru un convertor buck DC/DC.
Un aspect important îl reprezintă noile MOSFET-uri CoolGaN™ de 100 V, care asigură o eficiență maximă în etajele de putere. Acestea sunt completate de condensatoare MLCC de ultimă generație, cu ESR redus și dimensiuni compacte, utilizate ca elemente de capacitate pentru magistrala DC.
Din punct de vedere digital, placa oferă flexibilitate maximă prin interfața CAN-FD. În plus, un soclu compatibil cu Arduino permite extinderea cu plăci adaptoare Rutronik (RAB) suplimentare.
Rezultatul: combinația ideală între placa de control Infineon PSOC™ C3M5 și noua placă cu etaj de putere RAK-GaN – optimizată pentru evaluarea aplicațiilor de control al motoarelor de 48 V și a unui convertor buck DC/DC, cu suport complet din partea ModusToolbox™, Motor Suite și DCDC Power Conversion Configurator.
Rămâneți la curent! Mai multe detalii și informații privind disponibilitatea vor fi publicate în curând pe site-ul Rutronik: https://www.rutronik.com/innovations
Autor: Kevin Endlein, Line Manager, Rutronik
Rutronik | https://www.rutronik.com
Glosar de termeni
Semiconductori și electronică de putere
GaN: Prescurtare de la nitrură de galiu, material semiconductor cu bandă interzisă largă, utilizat pentru tranzistoare rapide și eficiente, cu densitate mare de putere.
Tehnologie cu bandă interzisă largă: Familie de tehnologii semiconductoare, precum GaN și SiC, care permit funcționarea la tensiuni, temperaturi și frecvențe mai ridicate decât siliciul tradițional.
Sarcină de poartă (QG): Cantitatea de sarcină necesară pentru comutarea tranzistorului. O valoare mai mică permite comutații mai rapide și un consum energetic redus pentru comandă.
RDS(on): Rezistența drenă-sursă a unui tranzistor MOSFET în stare de conducție. Cu cât valoarea este mai mică, cu atât pierderile de conducție sunt mai reduse.
Etaj de putere: Partea circuitului care livrează efectiv energia către sarcină, de exemplu către un motor. În aplicațiile BLDC, acesta poate include semipunți și tranzistoare de putere.
Controlul motoarelor
Motor BLDC: Motor de curent continuu fără perii, utilizat frecvent în aplicații care necesită eficiență ridicată, durată mare de viață și control precis al turației.
PMSM: Motor sincron cu magneți permanenți, folosit în aplicații de acționare unde sunt importante eficiența, densitatea de putere și controlul precis.
FOC: Control orientat după câmp, metodă avansată de control al motoarelor care permite reglarea precisă a cuplului și a turației, inclusiv la viteze ridicate.
Riplu de curent: Variație periodică nedorită a curentului într-un circuit. Reducerea riplului contribuie la o funcționare mai lină și mai silențioasă a motorului.
Variații ale cuplului: Fluctuații ale forței de rotație dezvoltate de motor. Minimizarea acestora îmbunătățește precizia, stabilitatea și confortul acționării.
Microcontroler, software și securitate
PSOC™ Control C3: Familie de microcontrolere Infineon destinată aplicațiilor de control al motoarelor și conversie de putere, cu periferice integrate pentru control rapid și precis.
PWM: Modulație în lățime a impulsurilor, tehnică utilizată pentru controlul energiei livrate către motor sau către un convertor de putere.
CORDIC: Unitate hardware sau algoritm utilizat pentru calcule matematice rapide, inclusiv funcții trigonometrice, utile în algoritmii de control al motoarelor.
ModusToolbox™ Motor Suite: Mediu software Infineon care oferă instrumente, biblioteci și funcții de configurare pentru dezvoltarea mai rapidă a aplicațiilor de control al motoarelor.
PSA Level 2: Nivel de securitate pentru platforme embedded, relevant pentru proiectarea unor sisteme conectate mai sigure și mai fiabile.