Bild 1: Referenzdesign für einen Dreiphasen-GaN-Wechselrichter mit hoher Schaltfrequenz.

Bild 1: Referenzdesign für einen Dreiphasen-GaN-Wechselrichter mit hoher Schaltfrequenz. (Bild: Texas Instruments)

| von Redaktion

In Präzisionsanwendungen wie Servoantrieben, CNC-Maschinen (Computer Numerical Control), Robotern und kommerziellen Drohnen kommen zunehmend oder sogar ausschließlich bürstenlose DC- oder AC-Induktionsmotoren für niedrige Spannungen und mit geringer Statorinduktivität zum Einsatz. Um die Stromwelligkeit in einem akzeptablen Rahmen zu halten, erfolgt die Ansteuerung dieser Motoren aufgrund ihrer geringen Induktivität mit Schaltfrequenzen bis zu 100 kHz. Die Welligkeit des Phasenstroms, die umgekehrt proportional zur PWM-Schaltfrequenz (Pulsweiten-Modulation) ist, äußert sich durch eine Welligkeit des mechanischen Drehmoments. Dies ruft Vibrationen hervor, beeinträchtigt die Ansteuergenauigkeit und schadet dem Wirkungsgrad.

Schaltfrequenz vs. Verlustleistung – ein Kompromiss

Tabelle 1: Übersicht der typischen Werte eines FETs auf Si-Basis und eines GaN-HEMT.

Tabelle 1: Übersicht der typischen Werte eines FET auf Si-Basis und eines GaN-HEMT. Texas Instruments

Bei der Erhöhung der ist jedoch hinsichtlich der Verlustleistung ein Kompromiss notwendig. Die Verlustleistung im setzt sich hauptsächlich aus Leitungs- und Schaltverlusten zusammen. Bei gegebener Schaltfrequenz ist die Verringerung der Schaltverluste durch eine Verkleinerung der Schaltelemente – meist MOSFETs – möglich. Jedoch kommt es dadurch zu höheren Leitungsverlusten im System. In einem idealen Design bestimmt die Technologie der Halbleiterschalter den maximal erreichbaren Wirkungsgrad.

Im traditionellen, mit 48-V-Silizium-MOSFETs bestückten Wechselrichter können die Schaltverluste bei einer PWM-Frequenz von 40 kHz bereits deutlich höher ausfallen als die Leitungsverluste, sodass sie die insgesamt entstehenden Verluste dominieren. Zum Ableiten der entstehenden Wärme müssen größere Kühlkörper zum Einsatz kommen, was Kosten, Gewicht und Abmessungen des Systems erhöht. In Anwendungen mit knappen Platzverhältnissen ist diese Vorgehensweise deshalb nicht wünschenswert oder sogar gänzlich inakzeptabel.

High-Electron-Mobility Transistors (HEMTs) auf der Basis von (GaN) bieten mehrere Vorteile gegenüber Silizium-MOSFETs und erschließen damit neue Möglichkeiten für schnelle Antriebe. Zum Beispiel erreichen GaN-Transistoren deutlich höhere Anstiegsgeschwindigkeiten (dV/dt). Sie sind dadurch in der Lage, wesentlich schneller zu schalten als Si-MOSFETs und erreichen deutlich geringere Schaltverluste. Zusätzlich tritt bei GaN-Transistoren keine Sperrverzögerungsladung auf, die bei Designs mit traditionellen MOSFETs auf Si-Basis zu einem unerwünschten Schwingen am Schaltknoten führt. Tabelle 1 zeigt eine Gegenüberstellung der typischen Eigenschaften von Si- und GaN-FETs.

Details zu den Anforderungen an Gatetreiber und ans das bespricht der Beitrag auf der nächsten Seite.

Anforderungen an Gatetreiber und PCB-Layout

Bild 1: Referenzdesign für einen Dreiphasen-GaN-Wechselrichter mit hoher Schaltfrequenz.

Bild 1: Referenzdesign für einen Dreiphasen-GaN-Wechselrichter mit hoher Schaltfrequenz. Texas Instruments

Es ist jedoch nicht damit getan, den Si-MOSFET durch einen GaN-FET zu ersetzen, um von dessen Vorteilen zu profitieren. Zum Erreichen hoher Anstiegsgeschwindigkeiten müssen Gatetreiber-Schaltungen und das Leiterplatten-Layout besondere Anforderungen erfüllen, denn ohne geeignete Vorkehrungen führen höhere dV/dt-Werte vermehrt zu elektromagnetischen Interferenzen (). Unstimmigkeiten zwischen den Signallaufzeiten der Kanäle setzen der bestmöglichen Totzeit eine Grenze und verhindern, dass GaN-FETs ihre optimale Performance erreichen.

Bild 2: Oszillogramm des Schalt-Knotens bei 48 V Eingangsspannung und 10 A Laststrom.

Bild 2: Oszillogramm des Schaltknotens bei 48 V Eingangsspannung und 10 A Laststrom. Texas Instruments

Die GaN-Leistungsstufe LMG5200 von Texas Instruments (TI) überwindet diese Schwierigkeiten, indem sie zwei 80 V/10 A GaN-FETs mit 18 mΩ Einschaltwiderstand mit den zugehörigen Gatetreibern kombiniert. Untergebracht ist die Leistungsstufe in einem ohne Bonddrähte auskommenden, 6 mm x 8 mm großen QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead). Bei diesem Gehäuse ist die Anschlussanordnung so ausgelegt, dass eine geringere Leistungsschleifen-Impedanz und ein weniger komplexes Leiterplatten-Layout erreicht werden. Die Eingänge sind kompatibel zu 5-V-TTL- und 3,3-V-CMOS-Logik und weisen eine typische Signallaufzeit-Unstimmigkeit von 2 ns auf. Dies lässt sehr kurze Totzeiten zu, was die Verluste ebenso reduziert wie die Verzerrungen des Ausgangsstroms.

Das Referenzdesign eines 48 V/10 A Hochfrequenz-PWM-Dreiphasen-GaN-Wechselrichters für schnelle Antriebe implementiert eine B6-Wechselrichtertopologie mit drei Halbbrücken-GaN-Powermodulen des Typs LMG5200. Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild dieser Topologie. Das Referenzdesign besitzt ein zu TI-Boosterpack-Modulen kompatibles Interface zum Anschluss eines C2000-Microcontroller-Launchpad-Kits für eine unkomplizierte Performance-Evaluierung.

Wie sich mit dem Referenzdesign ein hoher Wirkungsgrad bei 100 kHz Schaltfrequenz erreichen lässt, erfahren Sie auf der folgenden Seite. <!–nextpage–>

Referenzdesign – ein Blick in die Praxis

Welche Schaltfrequenzen sich damit in der Praxis erreichen lassen, zeigt das Oszillogramm des Schaltknotens mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von etwa 40 V/ns in Bild 2. Trotz der extrem hohen Schaltgeschwindigkeit beträgt das Überschwingen am Schaltknoten weniger als 10 V. Im Unterschied zu Designs mit traditionellen Silizium-FETs erfordert dies weniger Sicherheitsreserven zwischen der VDS-Durchbruchspannung des und der maximal zulässigen Versorgungsspannung V.

Durch die hohe Anstiegsgeschwindigkeit gestaltet sich die Shunt-basierende Phasenstrommessung ebenfalls zu einer Herausforderung. Das Referenzdesign eines 48-V-Dreiphasen-Wechselrichters mit Shunt-basierender Phasenstrommessung löst dieses Problem beispielsweise mithilfe der differenziellen, präzisen Strommessverstärker INA240 von TI. Der INA240 besitzt einen von -4 bis +80 V reichenden Gleichtaktbereich und eine verbesserte PWM-Unterdrückung. Die AC-Gleichtaktunterdrückung beträgt 93 dB bei 50 kHz, während die DC-Gleichtaktunterdrückung mit 132 dB angegeben ist.

Bild 3: Verlustleistung des GaN-Referenzdesigns bei 48 V Eingangsspannung als Funktion des Dreiphasen-Effektivausgangsstroms.

Bild 3: Verlustleistung des GaN-Referenzdesigns bei 48 V Eingangsspannung als Funktion des Dreiphasen-Effektivausgangsstroms. Texas Instruments

Der sinusförmige 1-kHz-Phasenstrom weist bei 100 kHz PWM-Frequenz nur geringe Verzerrungen auf.

Bild 4: Der sinusförmige 1-kHz-Phasenstrom weist bei 100 kHz PWM-Frequenz nur geringe Verzerrungen auf. Texas Instruments

Die Verluste des Referenzdesign-Boards beim maximalen Laststrom von 7 Aeff. liegen bei 4,95 W bei einer PWM-Frequenz von 40 kHz, bei 100 kHz dagegen bei 5,65 W. Bild 3 zeigt die Verlustleistung des GaN-Referenzdesigns als Funktion des Ausgangsstroms. Der theoretische maximale Wirkungsgrad bei 48 V Busspannung wird bei einer maximalen Eingangsleistung von 400 W erreicht. Dies ergibt eine Spannung von Phase zu Phase von 34 Veff. bei einem Phasenstrom von 7 Aeff. und einen Wechselrichter-Wirkungsgrad von 98,5 Prozent bei 100 kHz Schaltfrequenz.

Dank der hohen Schaltfrequenz und der schnellen Stromregelschleife hat der Phasenstrom einen nahezu sinusförmigen, durch minimale Verzerrungen geprägten Verlauf (Bild 4). Dies minimiert die Drehmomentwelligkeit und die hörbaren Geräusche des Motors und sorgt gleichzeitig für einen maximalen Wirkungsgrad.

Fachbeitrag beruhend auf Unterlagen von Texas Instruments.

(na)

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