Как полупроводники с широким запрещенным зоной революционизируют проектирование привода двигателей

Системы управления двигателями включают программное и аппаратное обеспечение — IGBT, полупроводники с широким запрещенным зоной (WBG) и микроконтроллеры (MCU) — чья сложность неуклонно растет.

В эре Индустрии 4.0 управление двигателями находится в центре цифровой трансформации. Энергоэффективность имеет первостепенное значение, поскольку глобальный спрос на электроэнергию промышленных электродвигателей продолжает расти. Разработчики и производители компонентов поэтому приоритизируют решения, обеспечивающие более высокую производительность при снижении потребления энергии.

Сложность проектирования также растет, подталкиваемая строгими требованиями к управлению, требующими изощренной электроники. Материалы с широким запрещенным зоной, такие как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), становятся ключевыми энаблерами.

Управление двигателями охватывает множество уровней — от низкоуровневого управления движением, выполняющего вычислительно интенсивные алгоритмы, до высокоуровневой прикладной логики, управляющей вентиляторами, насосами, роботами и сервомеханизмами. Ниже мы рассматриваем ключевые строительные блоки.

Двигатели и драйверы

Двигатели постоянного тока доминируют в чувствительных к стоимости приложениях. Они состоят из статора (часто постоянного магнита) и ротора, содержащего обмотки, подключенные к коллектору. Регулировка скорости достигается управлением напряжением постоянного тока. В зависимости от приложения используются полно-, полу- или понижающие преобразователи.

Двигатели переменного тока полагаются на трансформатор: первичная сторона подключена к сети переменного тока, а вторичная генерирует индуцированный ток. Микропроцессорная электроника, инвертеры и сигнальное обусловливание управляют скоростью и моментом.

Контроллер — это «мозг» системы. В простых настройках достаточно одного контроллера; в сложных приводах несколько контроллеров координируют команды к двигателям и считывают сигналы исполнительных механизмов.

Промышленная робототехника почти исключительно использует трехфазные двигатели переменного тока. Рисунок 1 иллюстрирует блок-схему электронной схемы управления, где выделенный MCU генерирует PWM-сигнал. Для более требовательных задач фильтрации предпочтительны DSP или FPGA.

Рисунок 1: Блок-схема управления трехфазным асинхронным двигателем с питанием от переменного тока (Источник: Texas Instruments)

Популярный контроллер двигателя постоянного тока — модули Trinamic TMCM-1637 (5 А RMS) и TMCM-1638 (7 А RMS). Эти слотовые блоки содержат векторные контроллеры, датчики Холла и энкодеры ABN, поддерживают однофазные двигатели постоянного тока, двухфазные биполярные шаговые и трехфазные бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC). Рисунок 2 показывает их компоновку.

IGBT

Транзисторы с изолированным затвором (IGBT) стали прорывом в силовой ключевой электронике, обеспечивая высокочастотную работу, необходимую для современных приводов двигателей. Современные IGBT предлагают превосходный баланс скорости и стабильности даже в экстремальных автомобильных условиях.

Серия IGBT 1200 В класса S от STMicroelectronics оптимизирована для низкочастотной работы (до 8 кГц) и обладает низким V_ce(sat). Построенная на третьем поколении технологии траншевого затвора с полем-стопом, она обеспечивает надежную производительность.

GaN и SiC

Материалы с широким запрещенным зоной — GaN и SiC — постепенно вытесняют кремний в силовой ступени управления двигателями. Их преимущества включают:

• Меньшие потери на проводимость и переключение
• Более высокие частоты переключения (до 10 раз быстрее)
• Более высокие рабочие температуры (> 150 °C)
• Более высокие пробойные напряжения
• Повышенная надежность в суровых средах

GaN HEMT демонстрируют более высокую подвижность электронов, что приводит к более быстрым фронтам нарастания, более низкому R_DS(on) и сниженной емкости затвора. Эти черты позволяют достигать до 10-кратно более высоких частот переключения по сравнению с кремнием, снижая потери и тепловыделение.

Меньшая рассеиваемая мощность означает, что требуется меньше вентиляторов охлаждения, позволяя создавать бесвентиляторные конструкции, особенно ценные в легковесных приложениях, таких как дроны.

SiC MOSFET обеспечивают значительный прирост эффективности и меньшие размеры радиаторов по сравнению с традиционными кремниевыми устройствами. Их пренебрежимо малые потери на обратное восстановление и очень низкий R_DS(on) на единицу площади позволяют работать на высоких частотах переключения, сохраняя управляемый тепловой бюджет.

Промышленные приводы должны справляться с высоким dV/dt при включении/выключении. SiC MOSFET могут создавать dV/dt в несколько раз выше, чем IGBT; поэтому тщательное проектирование — часто нацеленное на 5–10 В/нс — предотвращает напряженные скачки, способные повредить изоляцию двигателя.

Сравнение STMicroelectronics 1,2-кВ SiC MOSFET с кремниевым IGBT показывает заметно меньшие потери энергии как при включении, так и при выключении под нагрузкой 5 В/нс. Рисунок 3 иллюстрирует результаты.

Рисунок 3: Двухуровневый трехфазный инверторный привод (Источник: STMicroelectronics)

Устройства на SiC позволяют проектировщикам выбирать оптимальную частоту переключения для данного двигателя, обеспечивая преимущества в производительности, размере и надежности в автомобильной и промышленной автоматизации.

CoolSiC MOSFET Infineon с технологией межсоединений .XT в корпусе 1200 В D²PAK-7 SMD позволяют пассивное охлаждение в плотных по мощности приводах двигателей. Это поддерживает бесплановые, бесвентиляторные инверторы для робототехники и автоматизации. Рисунок 4 демонстрирует снижение потерь на проводимость во всех режимах работы.

Рисунок 4: Снижение потерь на проводимость во всех режимах работы (Источник: Infineon Technologies)

Микроконтроллеры

Решения для управления двигателями сочетают аппаратное обеспечение — IGBT, SiC/GaN MOSFET, силовой диоды — и изощренное программное обеспечение, управляющее ими. Современные MCU предоставляют вычислительную мощность, необходимую для управления в реальном времени, диагностики и предиктивного обслуживания.

Семейство MPC57xx от NXP (архитектура Power) поддерживает автомобильные и промышленные приложения силовой передачи, предлагая качество AEC-Q100, набортовое шифрование и функциональную безопасность ISO 26262/IEC 61508. Оно обеспечивает Ethernet (FEC), двухканальный FlexRay и множество последовательных интерфейсов.

RA6T1 от Renesas (Cortex-M4) работает на 120 МГц и может управлять двумя BLDC-двигателями одновременно. Интегрированный с TensorFlow Lite Micro, он добавляет интеллектуальное обнаружение сбоев для бессенсорных двигательных систем, обеспечивая предиктивное обслуживание.

По мере диверсификации требований к двигателям рынок предлагает спектр IGBT, полупроводников с широким запрещенным зоной и MCU. Будущее аппаратное обеспечение должно будет разгружать процессор от задач реального времени, расширяя диагностику, ИИ и возможности функциональной безопасности.

> Эта статья была первоначально опубликована на нашем партнерском сайте, Power Electronics News.

---

Связанные материалы:

• Сглаживание производительности трансмиссии ЭВ с алгоритмом векторного управления
• Референс-дизайн упрощает промышленное роботизированное управление двигателем
• Программное обеспечение облегчает проектирование драйвера BLDC
• Ключевые факторы проектирования электронного контроля скорости дрона

Для получения дополнительного контента Embedded подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded.