Hoe wide-bandgap halfgeleiders motorbesturing ontwerpen revolutioneren

Motorbestuuringssystemen bestaan uit software en hardware - waaronder IGBT's, wide-bandgap (WBG) halfgeleiders, en microcontroller units (MCU's) - wier complexiteit stijgend is.

In het tijdperk van Industrie 4.0 zit motorbesturing in het hart van de digitale transformatie. Energie-efficiëntie is van cruciaal belang, aangezien de wereldwijde elektriciteitsvraag van industriële elektromotoren blijft klimmen. Ontwikkelaars en componentfabrikanten prioriteren daarom oplossingen die hogere prestaties leveren terwijl het stroomverbruik wordt verminderd.

Ontwercomplexiteit groeit ook, gedreven door strikte controle-eisen die gesofisticeerde elektronica vereisen. Wide-bandgap materialen zoals galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC) worden essentiële enablers.

Motorbesturing omvat meerdere lagen - van low-level motion control, die rekenintensieve algoritmen uitvoert, tot high-level applicatielogica die ventilatoren, pompen, robots en servomechanismen beheert. Hieronder schetsen we de belangrijkste bouwstenen.

Motoren en Drivers

DC-motoren domineren kostenkritische toepassingen. Ze bestaan uit een stator (vaak een permanente magneet) en een rotor die wikkelingen huisvest die verbonden zijn met een kommutator. Snelheidsregeling wordt bereikt door de DC-spanning te controleren. Afhankelijk van de applicatie, dryven full-brug, half-brug of step-down converters de motor aan.

AC-motoren zijn afhankelijk van een transformator: de primaire kant is verbonden met de AC-voorziening, terwijl de secundaire kant de geïnduceerde stroom genereert. Microprocessor-gebaseerde elektronica, omrichters en signaalconditionering managen snelheid en koppel.

De controller is de "hersenen" van het systeem. In eenvoudige opstellingen volgt een enkele controller; in complexe dryven coördineren meerdere controllers opdrachten aan de motoren en lezen actuator-signalen terug.

Industriële robotica gebruikt bijna uitsluitend driefase AC-motoren. Figuur 1 illustreert een blokdiagram van een elektronisch besturingscircuit waar een dedicate MCU een PWM-signaal genereert. Voor meer eisende filtertaken zijn DSPs of FPGA's te verkiezen.

Figuur 1: Blokdiagram van een AC-aangedreven driefase inductiemotor besturing (Bron: Texas Instruments)

Een populaire DC-motorcontroller is Trinamic's TMCM-1637 (5 A RMS) en TMCM-1638 (7 A RMS) modules. Deze slot-type units hebben field-oriented controllers, Hall-sensoren en ABN-encoders, ondersteunen single-fase DC, twee-fase bipolaire stepper, en driefase brushless DC (BLDC) motoren. Figuur 2 toont hun lay-out.

IGBT's

Geïsoleerde-gate bipolaire transistoren (IGBT's) zijn een doorbraak in power-switching elektronica, wat high-frequentie operatie mogelijk maakt die essentieel is voor moderne motor drives. Recente IGBT's bieden een superieur evenwicht van snelheid en stabiliteit, zelfs onder extreme automobiele omstandigheden.

STMicroelectronics' 1.200-V IGBT S-serie is geoptimaliseerd voor low-frequentie operatie (tot 8 kHz) en heeft een lage V_ce(sat). Gebouwd op derde-generatie trench-gate, field-stop technologie, levert het robuuste prestaties.

GaN en SiC

WBG materialen - GaN en SiC - vervangen geleidelijk silicium in motorbesturing power stages. Hun voordelen omvatten:

• Lagere geleiding- en schakelverliezen
• Hogere schakelfrequenties (tot 10x sneller)
• Hogere werkingtemperaturen (> 150 °C)
• Hogere doorbraakspanningen
• Verbeterde betrouwbaarheid in harde omgevingen

GaN HEMTs vertonen hogere elektronenmobiliteit, wat leidt tot snellere stijgtijden, lagere R_DS(on), en verminderde gate-capaciteit. Deze eigenschappen maken tot 10x hogere schakelfrequenties dan silicium mogelijk, wat verliezen en warmteproductie vermindert.

Lagere vermogensdissipatie betekent dat minder koelventilatoren nodig zijn, wat ontwerpen zonder ventilatoren mogelijk maakt die vooral waardevol zijn in lichtgewicht toepassingen zoals drones.

SiC MOSFETs bieden significante efficiëntiewinsten en kleinere heatsink-afmetingen vergeleken met traditionele silicium apparaten. Hun verwaarloosbare reverse-recovery verliezen en zeer lage R_DS(on) per eenheid oppervlakte laten operatie op hoge schakelfrequenties toe terwijl het thermische budget beheersbaar blijft.

Industriële drives moeten hoge dV/dt managen tijdens aan/uit schakelen. SiC MOSFETs kunnen dV/dt produceren die diverse malen hoger is dan IGBT's; daarom is zorgvuldig ontwerp - vaak gericht op 5-10 V/ns - essentieel om spanningspieken te voorkomen die motorisolatie kunnen beschadigen.

Een STMicroelectronics vergelijking van een 1,2-kV SiC MOSFET versus een silicium IGBT toont aanzienlijk lagere energieverlies voor zowel aan- als uitschakelen onder 5 V/ns stress. Figuur 3 illustreert de resultaten.

Figuur 3: Twee-niveau, driefase omrichter-gebaseerde drive (Bron: STMicroelectronics)

SiC apparaten stellen ontwerpers in staat om de optimale schakelfrequentie te selecteren voor een gegeven motor, wat prestaties, grootte en betrouwbaarheidsvoordelen levert in automobiele en industriële automatisering sectoren.

Infineon's CoolSiC MOSFETs met .XT interconnect technologie, gehuisvest in een 1.200-V D²PAK-7 SMD package, maken passieve koeling mogelijk in power-dense motor drives. Dit ondersteunt onderhoudsvrije, ventilatorloze omrichters voor robotica en automatisering. Figuur 4 demonstreert geleidingsverliesreductie over alle operatiemodi.

Figuur 4: Geleidingsverliesreductie in alle operatiemodi (Bron: Infineon Technologies)

Microcontrollers

Motorbestuuring-oplossingen mengen hardware - IGBT's, SiC/GaN MOSFETs, power diodes - en gesofisticeerde software die ze managt. Moderne MCU's leveren de rekenkracht die nodig is voor real-time controle, diagnostiek en predictief onderhoud.

NXP's MPC57xx familie (Power Architecture) ondersteunt automobiele en industriële powertrain toepassingen, biedt AEC-Q100 kwaliteit, on-chip encryptie, en ISO 26262/IEC 61508 functionele veiligheid. Het biedt Ethernet (FEC), dual-channel FlexRay, en meerdere seriële interfaces.

Renesas's RA6T1 (Cortex-M4) draait op 120 MHz en kan twee BLDC motoren tegelijkertijd besturen. Geïntegreerd met TensorFlow Lite Micro, voegt het intelligente foutdetectie toe voor sensorloze motorsystemen, wat predictief onderhoud mogelijk maakt.

Naarmate motorvereisten diversifiëren, levert de markt een spectrum van IGBT's, WBG halfgeleiders en MCU's. Toekomstige hardware moet real-time taken van de processor offloaden, terwijl diagnostiek, AI en functionele-veiligheid mogelijkheden worden uitgebreid.

>> Dit artikel was oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, Power Electronics News.

Gerelateerde inhoud:

• EV powertrain prestaties verbeteren met field-oriented control algoritme
• Referentie-ontwerp vereenvoudigt industriële robotische motorbesturing
• Software vereenvoudigt BLDC motor driver ontwerp
• Belangrijke factoren in het ontwerpen van een drone's elektronische snelheidsregeling

Voor meer Embedded, abonneer u op de wekelijkse e-nieuwsbrief van Embedded.