Les modules d'alimentation DC-DC pour drivers de porte améliorent l'efficacité et la sécurité des entraînements de moteur

Les modules d'alimentation DC-DC pour drivers de grille jouent un rôle clé dans les systèmes d'entraînement de moteurs

Dans des domaines tels que l'automatisation industrielle, les véhicules électriques et la génération d'énergie renouvelable, des solutions efficaces de drivers de grille constituent des technologies essentielles pour réaliser des économies d'énergie et assurer un fonctionnement sécurisé. Les modules d'alimentation DC-DC des drivers de grille jouent un rôle clé dans les systèmes de commande des moteurs, en particulier pour les conceptions à haute densité de puissance, haute efficacité et stabilité de commande des moteurs. Ces modules fournissent des tensions et courants de commande isolés et stables pour les dispositifs semiconducteurs de puissance tels que les IGBTs, les MOSFETs, ou les dispositifs SiC/GaN. Les modules d'alimentation DC-DC des drivers de grille doivent offrir une alimentation isolée pour garantir une isolation électrique entre les circuits de commande et de puissance, améliorer l'immunité du système aux interférences et assurer la sécurité. Ils fournissent une sortie d'alimentation stable et des tensions DC fiables pour les drivers de grille, garantissant un fonctionnement approprié des dispositifs de puissance dans des conditions variables, tout en répondant aux exigences de large plage de tensions pour prendre en charge les tensions de commande de grille positives et négatives nécessaires pour différents dispositifs de puissance.

Les entraînements de moteur nécessitent un contrôle efficace et précis des actions de commutation des dispositifs de puissance. En général, les systèmes d'entraînement de moteur adoptent généralement la méthode de contrôle PWM, et leur capacité à piloter efficacement les dispositifs de puissance est essentielle. Les modules DC-DC de pilote de grille soutiennent un contrôle d'entraînement de moteur haute performance et fournissent des tensions de pilote de grille à faible puissance et haute efficacité qui réduisent les pertes de commutation et améliorent l'efficacité globale du système d'entraînement.

Les dispositifs de puissance SiC et GaN, largement utilisés dans les entraînements de moteurs modernes, présentent des vitesses de commutation élevées et des exigences plus élevées en matière de tension de commande de grille (par exemple, +15V/-4V). Les modules DC-DC pour pilotes de grille peuvent fournir avec précision des tensions et des courants adéquats pour optimiser pleinement les avantages de performance de ces dispositifs.

Dans les systèmes de commande de moteur, le circuit de commande doit être isolé du circuit d'alimentation haute tension afin de protéger les systèmes de commande basse tension et de garantir la sécurité du personnel. Les modules DC-DC de pilotes de grille avec une haute tension d'isolation (par exemple, 3-5 kV) empêchent les bruits électriques ou les courts-circuits d'affecter le système de commande.

Ces modules DC-DC pour driver de grille peuvent également prendre en charge les conceptions de moteurs à commande multiphasée. Pour les moteurs multiphases tels que les moteurs synchrones à aimant permanent triphasés, les dispositifs de commutation côté haut et côté bas de chaque branche de pont nécessitent une alimentation indépendante. Les modules DC-DC pour driver de grille facilitent une topologie système simplifiée avec des solutions d'alimentation indépendante multi-canaux.

De plus, les modules DC-DC pour pilotes de porte augmentent la fiabilité du système en intégrant des fonctions de protection telles que la protection contre les sous-tensions et les surchauffes. Ces caractéristiques améliorent la stabilité des modules et leur tolérance aux défauts, renforçant ainsi efficacement la fiabilité globale des systèmes de commande de moteur.

Les modules DC-DC pour drivers de grille ont un large éventail de scénarios d'application techniques

Les modules DC-DC pour drivers de grille ont une large gamme de scénarios d'applications techniques, y compris les entraînements de moteurs industriels, tels que les servomoteurs, les onduleurs et les équipements d'automatisation industrielle. Ils peuvent également être utilisés dans les véhicules à énergies nouvelles, notamment les onduleurs de traction des véhicules électriques et les systèmes de recharge. Dans les applications de production d'énergie éolienne et d'onduleurs photovoltaïques, les modules DC-DC pour drivers de grille peuvent fournir un pilotage de grille stable pour les semi-conducteurs de puissance dans des scénarios à haute tension et haute efficacité. Dans les applications de transit ferroviaire, les modules DC-DC pour drivers de grille peuvent fournir une alimentation isolée pour les dispositifs de puissance dans les entraînements de moteurs haute puissance.

À l'avenir, les modules DC-DC de commande de porte évolueront vers une efficacité accrue, nécessitant le développement de modules offrant une conversion plus efficace pour répondre aux besoins en dispositifs de puissance à faible perte et haute fréquence. À mesure que les produits s'orientent vers la miniaturisation et l'intégration, les conceptions modulaires permettront d'intégrer les pilotes de porte et les alimentations DC-DC dans des boîtiers plus petits, adaptés aux conceptions de commandes de petits moteurs. Ces modules devront également prendre en charge de larges plages de températures, garantissant un fonctionnement fiable dans des environnements extrêmes, tels que les applications automobiles et les équipements de réseau.

À l'avenir, les modules d'alimentation DC-DC pour drivers de grille ne fourniront pas seulement une alimentation stable, mais auront également un impact direct sur les performances des dispositifs de puissance et sur l'efficacité des systèmes d'entraînement, ce qui est crucial pour optimiser les performances des systèmes d'entraînement de moteurs modernes.

Modules d'alimentation DC-DC avec pilotes de porte diversifiés pour répondre à divers besoins d'applications

Murata a lancé une variété de modules d'alimentation CC-CC pour drivers de porte destinés aux applications d'alimentation CC-CC pour drivers de porte. Un cas d'utilisation typique consiste à fournir une puissance de commande pour le « High side » et le « Low side » d'un moteur en pont complet, qui peut être un demi-pont, un pont complet ou un moteur triphasé. L'émetteur de l'interrupteur High side est un nœud de commutation haute fréquence et haute tension, et il peut utiliser des dispositifs IGBT, MOSFET, SiC ou GaN. Il nécessite une tension de sortie double — +Ve et -Ve. Le driver High side et les circuits associés doivent adopter une conception isolée.

La demande de puissance du pilote est satisfaite par le module DC-DC fournissant le courant continu moyen à un seul circuit pilote, tandis que les condensateurs à proximité fournissent le courant de pointe pour charger et décharger la capacité de grille à chaque cycle. La réduction de performance et autres pertes dans la commande doivent être prises en compte. Les dispositifs SiC et GaN ont un Qg inférieur à celui des IGBTs, mais ils peuvent fonctionner à des fréquences beaucoup plus élevées.

Selon les fiches techniques, la plupart des dispositifs peuvent être désactivés avec 0V. Alors, pourquoi utiliser une tension de grille négative ? Cela permet de contrer l'inductance parasite et l'effet de la capacité de Miller. La commande de grille négative surmonte l'inductance parasite causée par l'inductance de la source. Lorsque l'IGBT s'éteint, l'arrêt soudain du courant provoque un pic de tension qui s'oppose à la tension de grille. Concernant l'effet de Miller, pendant la période de coupure, la tension du collecteur augmente rapidement, entraînant un pic de courant traversant la capacité de Miller vers la grille, ce qui se traduit par une tension positive à travers la résistance de grille.

Pourquoi les modules DC-DC pour pilotes de grille nécessitent-ils une isolation ? Tout d'abord, pour des raisons de sécurité. Les DC-DC peuvent faire partie d'un système d'isolation de sécurité. Par exemple, selon la norme UL60950, un système de 690 VAC nécessite une distance d'isolement et un espacement de 14 mm pour répondre aux exigences d'isolation renforcée. De plus, la tension d'isolation doit être supportée, vérifiée en appliquant une tension transitoire unique, plus élevée que la tension de fonctionnement, maintenue pendant une minute.

En revanche, des besoins fonctionnels existent. Dans les applications High-side, l'entrée et la sortie du DC-DC doivent commuter en continu à la fréquence PWM sur l'ensemble de la tension du lien HVDC. Dans ce cas, un test de tension transitoire d'une minute n'est pas un indicateur fiable d'isolation. La conformité aux tests de décharges partielles selon IEC 60270 est le meilleur moyen de garantir une fiabilité à long terme.

La décharge partielle se produit parce que la tension de claquage des petits interstices (~3 kV/mm) est beaucoup plus basse que celle de l'isolation solide environnante (~300 kV/mm). Cette « tension d'amorçage » peut être utilisée pour mesurer et définir la tension de fonctionnement maximale, garantissant la fiabilité de l'isolation à long terme. Bien que la décharge partielle ne provoque pas de dommages immédiats, elle dégrade les performances d'isolation avec le temps.

Produits phares

Paramètres clés haute performance surpassant les produits des concurrents

Le couplage capacitif est un autre phénomène qui nécessite une attention particulière. Dans les interrupteurs côté haut, l'émetteur est un nœud de commutation à haute tension et haute fréquence. La tension totale du lien HVDC commute en continu à la fréquence PWM, de l'entrée DC-DC à la sortie, avec des fréquences potentiellement élevées et des taux de montée de tension rapides. Par exemple, les IGBTs atteignent généralement environ 30kV/μs, les MOSFETs environ 50kV/μs et les dispositifs SiC/GaN peuvent dépasser 50kV/μs. L'isolation DC-DC entre l'entrée et la sortie introduit un couplage capacitif (Cc), à travers lequel des tensions de commutation élevées provoquent des courants d'impulsion qui peuvent interférer avec les broches d'entrée sensibles. Les tests d'immunité transitoire en mode commun (CMTI) fournissent une indication de ce niveau de défaillance.

Les modules DC-DC driver de porte de Murata affichent d'excellentes performances en matière de couplage capacitif. Par exemple, la série MGJ offre les spécifications suivantes : le MGJ1 de 1W possède une capacité de couplage de 3pF ; le MGJ2 de 2W varie de 2,8 à 4pF ; et les modèles de 3W (MGJ3T) et 6W (MGJ6T, MGJ60LP, -SIP, -DIP) présentent une capacité de 15pF.

Il existe plusieurs méthodes pour obtenir une tension bipolaire, car différents dispositifs de commutation nécessitent des tensions de grille différentes selon les spécifications du fabricant. Par exemple, les IGBT nécessitent généralement +15V pour la tension positive et -8.7V, -9V, -10V ou -15V pour la tension négative. Les MOSFETs en silicium requièrent +15V ou +12V pour la tension positive et -5V ou -10V pour la tension négative. Les MOSFETs SiC nécessitent +20V, +18V ou +15V pour la tension positive et -5V, -4V, -3V ou -2.5V pour la tension négative. Les dispositifs GaN nécessitent généralement +5V ou +6V pour la tension positive et -3V pour la tension négative.

Pour répondre à ces besoins variés, le MGJ2 SIP de Murata offre une puissance de sortie totale de 2 W, proposant des méthodes traditionnelles à double enroulement pour fournir des tensions de commande de grille positives et négatives, notamment +15V/-15V, +15V/-5V, +15V/-8.7V, +20V/-5V, et +18V/-2.5V. Des sorties spécifiques supplémentaires peuvent être obtenues en ajustant le nombre de tours d'enroulement.

Les séries MGJ3 et MGJ6, avec des puissances de sortie respectives de 3W et 6W, utilisent une technologie brevetée pour configurer de manière flexible des sorties de tension triples, telles que 20V/-5V (15V +5V, -5V) et 15V/-10V (15V, -5V -5V). Les séries SMD MGJ1 et MGJ2, avec des puissances de sortie de 1W et 2W, utilisent des diodes Zener internes pour la division de tension, offrant des tensions spécifiques de commande de grille +ve et -ve, telles que +15V/-5V (à partir d'une seule sortie de 20V), +15V/-9V (à partir d'une seule sortie de 24V), et +19V/-5V (à partir d'une seule sortie de 24V). Une sortie personnalisée peut être fournie en modifiant les diodes Zener.

Les solutions de pilote de porte de Murata sont applicables aux onduleurs d'énergie renouvelable (éolienne, solaire et batteries de secours) et aux entraînements de moteurs à vitesse variable et haute vitesse. Les produits clés incluent les séries MGN1, MGJ1/MGJ2, MGJ1 SIP, MGJ2B, et MGJ3/MGJ6. Ces produits offrent une gamme de supports pour la tension de barrière continue, la capacité d'isolation, les certifications de sécurité, le CMTI, la température de fonctionnement et la puissance. Comparées aux concurrents, les solutions de Murata affichent de bonnes performances sur ces paramètres critiques.

Conclusion

Le module d'alimentation DC-DC du pilote de grille joue un rôle crucial dans les systèmes de commande de moteur, avec sa conversion d'énergie efficace, sa sortie de tension précise et son isolation électrique fiable impactant directement la performance des dispositifs semi-conducteurs de puissance et l'efficacité globale du système. De plus, en améliorant la capacité anti-interférence et la sécurité opérationnelle du système, ce module offre une base technique solide pour les solutions de commande de moteur dans les secteurs de l'automatisation industrielle, des véhicules électriques et des énergies renouvelables. À l'avenir, à mesure que les technologies des dispositifs de puissance continueront de progresser, les modules DC-DC du pilote de grille évolueront vers une efficacité accrue, une densité de puissance supérieure et une intégration renforcée, contribuant plus largement au développement de systèmes de commande de moteur haute performance. Murata propose une gamme complète de modules d'alimentation DC-DC pour pilotes de grille, capables de répondre à divers besoins d'application. Nous vous invitons à découvrir davantage d'informations sur nos produits associés.