I moduli di potenza DC-DC del driver del gate migliorano l'efficienza e la sicurezza del pilotaggio del motore

I moduli di potenza DC-DC driver di gate svolgono un ruolo chiave nei sistemi di azionamento motore

In campi come l'automazione industriale, i veicoli elettrici e la generazione di energia rinnovabile, soluzioni efficienti per i driver di gate sono tecnologie fondamentali per ottenere risparmi energetici e operazioni sicure. I moduli di alimentazione DC-DC per driver di gate svolgono un ruolo chiave nei sistemi di azionamento dei motori, in particolare per progetti di azionamento dei motori ad alta densità di potenza, alta efficienza e stabilità. Questi moduli forniscono tensioni e correnti di pilotaggio isolate e stabili per dispositivi a semiconduttori di potenza come IGBT, MOSFET o dispositivi SiC/GaN. I moduli di alimentazione DC-DC per driver di gate devono offrire alimentazione isolata per ottenere l'isolamento elettrico tra i circuiti di controllo e di potenza, migliorando l'immunità del sistema alle interferenze e garantendo la sicurezza. Forniscono un'uscita di potenza stabile e tensioni DC affidabili per i driver di gate, garantendo il corretto funzionamento dei dispositivi di potenza in condizioni variabili, soddisfacendo al contempo i requisiti di un'ampia gamma di tensioni per supportare le tensioni di pilotaggio positive e negative necessarie per diversi dispositivi di potenza.

I drive di motori richiedono un controllo efficiente e preciso delle azioni di commutazione dei dispositivi di potenza. In generale, i sistemi di controllo dei motori adottano di solito il metodo di controllo PWM e la capacità di pilotare i dispositivi di potenza in modo efficiente è critica. I moduli DC-DC dei driver di gate supportano un controllo ad alte prestazioni dei drive motori e forniscono tensioni di pilotaggio a bassa potenza e alta efficienza che riducono le perdite di commutazione e migliorano l'efficienza complessiva del sistema di guida.

Dispositivi di potenza SiC e GaN, ampiamente utilizzati nei moderni azionamenti a motore, presentano elevate velocità di commutazione e requisiti di tensione di guida del gate più alti (ad es., +15V/-4V). I moduli DC-DC per driver di gate possono fornire con precisione tensioni e correnti appropriate per sfruttare appieno i vantaggi prestazionali di questi dispositivi.

Nei sistemi di azionamento motore, il circuito di comando deve essere isolato dal circuito di alimentazione ad alta tensione per proteggere i sistemi di controllo a bassa tensione e garantire la sicurezza del personale. I moduli DC-DC driver del gate con alta tensione di isolamento (ad es., 3-5kV) prevengono che il rumore elettrico o i cortocircuiti influenzino il sistema di controllo.

Questi moduli gate driver DC-DC possono anche supportare progetti di azionamenti motore multiphase. Per motori multiphase come motori sincroni a magneti permanenti trifase, i dispositivi di commutazione del lato alto e basso di ciascun ponte richiedono un'alimentazione indipendente. I moduli gate driver DC-DC facilitano una topologia di sistema semplificata con soluzioni di alimentazione indipendenti multicanale.

Inoltre, i moduli gate driver DC-DC migliorano l'affidabilità del sistema integrando funzioni di protezione come la protezione da sotto-tensione e sovratemperatura. Queste caratteristiche migliorano la stabilità del modulo e la tolleranza ai guasti, potenziando efficacemente l'affidabilità complessiva dei sistemi di azionamento dei motori.

I moduli DC-DC per driver di gate hanno un'ampia gamma di scenari di applicazione tecnica

I moduli DC-DC driver per gate hanno una vasta gamma di scenari di applicazione tecnica, inclusi i drive per motori industriali, come i servomotori, gli inverter e le apparecchiature di automazione industriale. Possono essere applicati anche nei veicoli a nuova energia, inclusi gli inverter di trazione per veicoli elettrici e i sistemi di ricarica. Nelle applicazioni di generazione eolica e negli inverter fotovoltaici, i moduli DC-DC driver per gate possono fornire una guida del gate stabile per i semiconduttori di potenza in scenari ad alta tensione e alta efficienza. Nelle applicazioni di trasporto ferroviario, i moduli DC-DC driver per gate possono fornire alimentazione isolata per i dispositivi di potenza nei drive di motori ad alta potenza.

In futuro, i moduli DC-DC per driver di gate si svilupperanno verso una maggiore efficienza, richiedendo lo sviluppo di moduli che supportano un'efficienza di conversione più elevata per soddisfare le esigenze di dispositivi di potenza a bassa perdita e ad alta frequenza. Con il progredire dei prodotti verso la miniaturizzazione e l'integrazione, i design modulari permetteranno l'integrazione di driver di gate e alimentazioni DC-DC in pacchetti più piccoli, adatti per design di azionamenti di piccoli motori. Questi moduli dovranno anche supportare ampi intervalli di temperatura, garantendo un funzionamento affidabile in ambienti estremi, come applicazioni automobilistiche e apparecchiature di rete.

In futuro, i moduli di potenza DC-DC di gate driver non solo forniranno un'alimentazione stabile, ma influenzeranno direttamente le prestazioni dei dispositivi di potenza e l'efficienza dei sistemi di trasmissione, fondamentale per ottimizzare le prestazioni dei moderni sistemi di azionamento dei motori.

Moduli di alimentazione DC-DC con driver di gate diversificati per soddisfare varie esigenze applicative

Murata ha lanciato una varietà di moduli di potenza DC-DC per driver di gate per applicazioni di potenza DC-DC per driver di gate. Un caso d'uso tipico è fornire potenza di pilotaggio per il "High side" e il "Low side" di un motore a ponte completo, che può essere mezzo ponte, ponte completo o trifase. L'emettitore dell'interruttore High side è un nodo di commutazione ad alta tensione e alta frequenza e può utilizzare dispositivi IGBT, MOSFET, SiC o GaN. Richiede una doppia tensione di uscita — +Ve e -Ve. Il driver High side e i circuiti correlati devono adottare un design isolato.

La richiesta di potenza del driver è soddisfatta dal modulo DC-DC che fornisce la corrente continua media a un singolo circuito driver, mentre i condensatori vicini forniscono la corrente di picco per caricare e scaricare la capacità del gate a ogni ciclo. Devono essere considerati il derating e altre perdite nel drive. I dispositivi SiC e GaN hanno un Qg più basso rispetto agli IGBT, ma possono operare a frequenze molto più elevate.

Secondo le schede tecniche, la maggior parte dei dispositivi può essere spenta con 0V. Quindi perché utilizzare una tensione di gate negativa? Questo serve a contrastare l'induttanza parassita e l'effetto di capacità di Miller. La guida negativa del gate supera l'induttanza parassita causata dall'induttanza della sorgente. Quando l'IGBT si spegne, l'arresto improvviso della corrente provoca un picco di tensione che si oppone alla tensione del gate. Per quanto riguarda l'effetto di Miller, durante il periodo di spegnimento, la tensione del collettore aumenta rapidamente, causando un picco di corrente che attraversa la capacità di Miller fino al gate, risultando in una tensione positiva attraverso il resistore del gate.

Perché i moduli DC-DC per driver di gate hanno bisogno di isolamento? Innanzitutto, per la sicurezza. I DC-DC possono fare parte di un sistema di isolamento di sicurezza. Ad esempio, secondo UL60950, un sistema a 690 VAC necessita di una distanza di strisciamento e di un intervallo di 14 mm per soddisfare i requisiti di isolamento rinforzato. Inoltre, la tensione di isolamento deve essere supportata, verificata applicando una tensione transitoria singola, più alta rispetto alla tensione operativa, mantenuta per un minuto.

D'altro canto, esistono esigenze funzionali. Nelle applicazioni lato alto, l'ingresso-uscita DC-DC deve commutare continuamente alla frequenza PWM lungo l'intero voltaggio del collegamento HVDC. In questo caso, un test di tensione transitoria di un minuto non è un indicatore di isolamento affidabile. La conformità al test di scarica parziale secondo IEC 60270 è il modo migliore per garantire l'affidabilità a lungo termine.

La scarica parziale si verifica perché la tensione di rottura dei piccoli spazi (~3kV/mm) è molto inferiore a quella dell'isolamento solido circostante (~300kV/mm). Questa "tensione di innesco" può essere utilizzata per misurare e definire la tensione operativa massima, garantendo l'affidabilità a lungo termine dell'isolamento. Sebbene la scarica parziale possa non causare danni immediati, nel tempo degradarà le prestazioni dell'isolamento.

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Parametri chiave ad alte prestazioni che superano i prodotti dei concorrenti

L'accoppiamento capacitivo è un altro fenomeno che richiede attenzione. Negli interruttori high-side, l'emettitore è un nodo di commutazione ad alta tensione e alta frequenza. L'intera tensione del collegamento HVDC commuta continuamente alla frequenza PWM dall'ingresso DC-DC all'uscita, con frequenze potenzialmente elevate e velocità di salita della tensione. Ad esempio, gli IGBT raggiungono tipicamente circa 30kV/μs, i MOSFET circa 50kV/μs, e i dispositivi SiC/GaN possono superare i 50kV/μs. L'isolamento DC-DC tra ingresso e uscita introduce accoppiamento capacitivo (Cc), attraverso il quale alte tensioni di commutazione causano correnti impulsive che possono interferire con i pin di ingresso sensibili. I test di immunità ai transienti in modo comune (CMTI) forniscono un'indicazione di questo livello di guasto.

I moduli DC-DC driver di gate di Murata presentano eccellenti prestazioni di accoppiamento capacitivo. Ad esempio, la serie MGJ offre le seguenti specifiche: l'MGJ1 da 1W ha una capacità di accoppiamento di 3pF; l'MGJ2 da 2W varia da 2,8 a 4pF; e i modelli da 3W (MGJ3T) e 6W (MGJ6T, MGJ60LP, -SIP, -DIP) presentano 15pF.

Esistono diversi metodi per ottenere una tensione bipolare, poiché i dispositivi di commutazione richiedono tensioni di gate diverse a seconda delle specifiche del produttore. Ad esempio, gli IGBT necessitano tipicamente di +15V per la tensione positiva e di -8,7V, -9V, -10V o -15V per la tensione negativa. I MOSFET al silicio richiedono +15V o +12V per la tensione positiva e -5V o -10V per la tensione negativa. I MOSFET SiC hanno bisogno di +20V, +18V o +15V per la tensione positiva e di -5V, -4V, -3V o -2,5V per la tensione negativa. I dispositivi GaN solitamente richiedono +5V o +6V per la tensione positiva e -3V per la tensione negativa.

Per soddisfare queste diverse esigenze, Murata MGJ2 SIP fornisce una potenza di uscita totale di 2W, offrendo metodi tradizionali a doppio avvolgimento per fornire tensioni di pilotaggio +ve e -ve, inclusi +15V/-15V, +15V/-5V, +15V/-8.7V, +20V/-5V e +18V/-2.5V. Uscite specifiche aggiuntive possono essere ottenute regolando i giri dell'avvolgimento.

Le serie MGJ3 e MGJ6, con potenze in uscita rispettivamente di 3W e 6W, utilizzano una tecnologia brevettata per configurare in modo flessibile uscite a tripla tensione, come 20V/-5V (15V +5V, -5V) e 15V/-10V (15V, -5V -5V). Le serie SMD MGJ1 e MGJ2, con potenze in uscita di 1W e 2W, utilizzano diodi Zener interni per la divisione della tensione, offrendo specifiche tensioni di pilotaggio +ve e -ve, come +15V/-5V (da un'uscita singola di 20V), +15V/-9V (da un'uscita singola di 24V) e +19V/-5V (da un'uscita singola di 24V). È possibile fornire uscite personalizzate modificando i diodi Zener.

Le soluzioni di driver per gate di Murata sono applicabili negli inverter per energie rinnovabili (eolica, solare e batterie di backup) e nei motori a velocità variabile ad alta velocità. I prodotti chiave includono le serie MGN1, MGJ1/MGJ2, MGJ1 SIP, MGJ2B e MGJ3/MGJ6. Questi offrono un range di supporto per tensione di resistenza continua delle barriere, capacità di isolamento, certificazioni di sicurezza, CMTI, temperatura di esercizio e potenza. Rispetto ai concorrenti, le soluzioni Murata si comportano bene su questi parametri critici.

Conclusione

Il modulo di alimentazione DC-DC del gate driver svolge un ruolo cruciale nei sistemi di azionamento dei motori, con la sua efficiente conversione di potenza, l'output di tensione preciso e l'isolamento elettrico affidabile che influiscono direttamente sulla prestazione dei dispositivi semiconduttori di potenza e sull'efficienza complessiva del sistema. Inoltre, migliorando la capacità anti-interferenza e la sicurezza operativa del sistema, questo modulo fornisce una solida base tecnica per soluzioni di azionamento dei motori nell'automazione industriale, nei veicoli elettrici e nei settori delle energie rinnovabili. In futuro, man mano che le tecnologie dei dispositivi di potenza continuano a progredire, i moduli DC-DC del gate driver evolveranno verso una maggiore efficienza, una densità di potenza superiore e una maggiore integrazione, contribuendo in modo significativo allo sviluppo di sistemi di azionamento dei motori ad alte prestazioni. Murata offre una linea completa di prodotti di moduli di alimentazione DC-DC del gate driver, in grado di soddisfare diverse esigenze applicative. Vi invitiamo a conoscere maggiori informazioni sui nostri prodotti correlati.