Elektrische Antriebe gelten als Energiefresser. Zwar können Umrichter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) eine Menge Energie einsparen, aber dabei ist einiges zu beachten. Eine neue integrierte GaN-Halbbrücke soll viele Herausforderungen lösen.
Etwa die Hälfte des Stroms in Europa fließt in elektrische Antriebe. Daher überrascht es nicht, dass die EU-Kommission und die Regierungen der Mitgliedsländer Regelungen und Standards geschaffen haben, den Stromverbrauch so effizient wie möglich und mit geringster Netzrückwirkung zu gestalten. Antriebe mit variabler Drehzahl (Variable-Speed Drive, VSD) sind mittlerweile der Standard in der Industrie, da sie die Energieaufnahme um bis zu 90 Prozent reduzieren, verglichen mit älteren Induktionsmotoren mit konstanter Geschwindigkeit. Gleichzeitig lässt sich damit die Baugröße verringern sowie die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit verbessern.
Normen wie beispielsweise IEC 61000 wurden geschaffen, um die Netzstabilität zu garantieren, da insbesondere große induktive Verbraucher wie Motoren das Stromnetz lokal beachtlich stören können. Hierfür gibt es verschiedene Lösungen, beispielsweise die aktive Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC), um damit die Wirkleistungsaufnahme aus dem Netz in jedem Lastpunkt zu optimieren.
Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke, der gegenüber Bauelementen aus Silizium unter anderem bis zu 20-mal schneller schalten kann und eine bis zu dreimal höhere Leistungsdichte bewältigen kann. Setzt man GaN-Schalter in dem PFC- und Umrichterstufen von Motorantrieben ein, lassen sich Leistungsverluste und Systemgröße deutlich verringern – am Ende lässt sich der Umrichter sogar in den Motor integrieren.
GaN-FETs haben keinen PN-Übergang im Stromfluss und daher keine Sperrverzögerung (Reverse Recovery) und die damit verbundene Ladung. Dadurch sinken die Schaltverluste um 75 bis 80 Prozent und die Gesamtverluste um über die Hälfte. Dies macht sich sofort in wesentlich weniger Wärmeentwicklung bemerkbar, wo- durch der Kühlkörper sehr stark verkleinert werden kann – oder aber in Antrieben kleinerer Leistung vollständig entfallen kann. Im Jahr 2021 stieg der Aluminiumpreis für Kühlkörper um 8 US-Dollar pro Kilogramm auf einen Wert wie seit 13 Jahren nicht, sodass ein kleinerer Kühlkörper die Systemkosten senken kann. Zusätzlich sinken auch die Versandkosten, weil das Gerätegewicht kleiner ist.
Da es keine Sperrverzögerung gibt und weil die Schaltverluste gering sind, eröffnen sich mit Galliumnitrid neue Freiheitsgrade bei den Schaltfrequenzen, aber auch für die thermische Auslegung von Umrichtern. Motor-integrierte Umrichter haben ein schwieriges Umfeld, da zusätzlich zu den Vibrationen und starken Magnetfeldern auch eine hohe Umgebungstemperatur herrschen kann, sodass es deutlich schwerer ist, die Leistungsschalter zu kühlen. Daher ist es am besten, einen Leistungsschalter zu verwenden, der von vornherein möglichst geringe Verluste erzeugt.
Die GaNSense-Technologie von Navitas Semiconductor kombiniert die Leistungsfähigkeit der GaN-Schalter mit den notwendigen Ansteuer-, Schutz- und Sensorschaltkreisen (Bild 1).
Dadurch eignen sich diese Bauteile besonders für zuverlässige und robuste Motorantriebe. Die integrierte und optimierte Gate-Ansteuerung mit einem eigenen Spannungsregler und Schutzschaltungen für Übertemperatur und -strom können den Leistungsschalter schützen, ohne einen externen Mikrocontroller zu belasten. Das Eingangssignal ist ein reguläres Digitalsignal, was externe Komponenten vermeidet und die Platinenfläche verringert, was für die kompakte Antriebsumrichter wichtig ist, bei denen die komplette Elektronik im Motorgehäuse eingebaut ist. Verglichen mit diskreten Schutzschaltungen, wie sie für Silizium-basierte Leistungsschalter oder alternative GaN-Lösungen häufig eingesetzt werden, kann GaNSense den Schalter im Fehlerfall in 30 ns – also um ein Mehrfaches schneller – schützen, und damit die Systemzuverlässigkeit wesentlich erhöhen. Weitere Details hierzu finden sich in [1]. Da auch die Temperaturüberwachung im Leistungsschalter integriert ist, ist kein NTC-Sensor am Kühlkörper nötig, was die Genauigkeit verbessert und eine Echtzeitüberwachung der Temperatur erst möglich macht. Das ist wichtig für Motor-integrierte Umrichter, die nicht einfach ausgetauscht oder gewartet werden können, und wo – vor allem in industriellen Anwendungen – höchste Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit erwartet wird. Die eingebaute Abschaltung bei Übertemperatur stoppt zuverlässig alle Schaltvorgänge, um eine schnelle Reaktion auf den Fehlerfall zu ermöglichen.
In GaN-ICs von Navitas mit GaNSense erzeugt die Strommessung im Schalter keine Verluste. Dadurch entfallen große und teure Shunt-Widerstände und trotzdem kann die Schutzbeschaltung den Halbleiter im Überstromfall schnell abschalten, wie es für Antriebe in der Fabrikautomatisierung notwendig ist. Darüber hinaus sinkt die Anzahl der insgesamt benötigten Komponenten, was nicht nur wertvollen Platz auf der Platine spart, sondern auch die Ausfallrate (Failure in Time, FIT) senkt. Auch hat Navitas kürzlich eine bedingte 20-Jahre-Garantie für die Produkte angekündigt, was die außergewöhnliche Zuverlässigkeit der Produkte eindrucksvoll unterstreichen soll.
Das Unternehmen bietet eine Familie von Halbbrücken-GaN-ICs an (Tabelle 1). Verschiedene, zueinander pinkompatible Produkte mit unterschiedlichen Einschaltwiderständen erlauben eine einfache Skalierbarkeit der Ausgangsleistung des Systems.
Alle diese neuen Halbbrücken-Produkte sind in einem 6 × 8 mm großen PQFN-Gehäuse erhältlich, das eine sehr gute thermische Anbindung an die Platine sowie niedrige parasitäre Induktivität und Widerstand aufweist. Die Halbbrücken bieten die gleiche Robustheit und Zuverlässigkeit wie die seit Jahren erhältlichen GaNFast-Einzelschalter des Unternehmens und werden von der kürzlich angekündigten 20-Jahre-Garantiefrist abgedeckt. Weitere Informationen zu den Bausteinen finden sich in den jeweiligen Datenblättern und in [2].
Im Folgenden geht es um ein Referenzdesign für Motorumrichter bis 400 W (Bild 2).
Die Verfügbarkeit von Halbbrücken-GaN-ICs ermöglicht es nun, einen kompakten Motorumrichter zu implementieren. Der Schaltplan für eine der drei Halbbrücken der Leistungsstufe ist in Bild 3 dargestellt.
Dies ist die Schaltung für die zweite Phase, wobei alle drei Phasen identisch sind. Das Hauptbauteil ist der NV6247, der neben der Eingangsschaltung (PWM) und der Ansteuerung auch die beiden GaN-Leistungsschalter enthält. Eine eingebaute Bootstrap-Schaltung liefert die notwendige Versorgungsschaltung für den Treiber des oberen Transistors. Ebenfalls enthalten ist ein Level-Shifter, der das Eingangssignal unabhängig vom Ausgang an die obere Treiberstufe überträgt, womit beide Eingangssignale massebezogen sein können. Damit ist dieser Baustein eine unmittelbar digital kontrollierbare Leistungsstufe. Weiterhin sind mehrere Sensorfunktionen integriert. So misst der Baustein den Strom im unteren GaN-Schalter und setzt diesen in einen kleinen Messstrom um, der am CS-Pin zur Verfügung steht. Weiterhin wird die Temperatur des GaN-ICs gemessen und einem Komparator zugeführt, um bei zu hoher Temperatur abzuschalten.
Die IC-Anschlüsse bestehen aus dem Drain des oberen GaN-Schalters (VIN, verbunden mit VBUS), dem Mittelpunkt der Halbbrücke (VSW, verbunden mit PHB), dem Source-Anschluss des unteren GaN-Schalters sowie IC-Masse (PGND), der Versorgungsspannung des ICs (VCC), Gate-Spannungsversorgung unten (VDDL), Einstellung der Anstiegsgeschwindigkeit des unteren Schalters (RDDL), 5-V-Versorgungsausgang (5VL), den beiden massebezogenen PWM-Eingängen (INL, INH), dem Ausgang für den gemessenen Strom (CS), Enable-Anschluss für die Auto-Stand-by-Funktion (/STBY), der Versorgung für den oberen Treiber (VB), Gate-Spannungsversorgung oben (VDDH), 5-V-Versorgungsausgang oben (5VH). Die externen Komponenten um das GaN-IC beinhalten einen VCC-Abblockkondensator (CVCC), verbunden zwischen VCC-Pin und PGND, einen weiteren VDDL-Abblockkondensator (CVDDL) zwischen VDDL und PGND, einen Widerstand (RSET) zum Einstellen der Strommess-Amplitude, verbunden zwischen CS und PGND, einen Abblockkondensator (C5VL) für die 5-V-Versorgung, einen Widerstand zum Einstellen der Schaltgeschwindigkeit (RDDL) zwischen VDDL und RDDL. Der Auto-Stand-by Enable-Pin (/STBY) wird mit PGND verbunden, um diesen Modus zu aktivieren, oder mit 5VL, um ihn zu deaktivieren.
Die externen Komponenten rings um den oberen Teil des GaN-ICs beinhalten einen VB-Abblockkondensator (CVB) zwischen VB und VSW, einen VDDH-Abblockkondensator (CVDDH) zwischen VDDH und VSW, sowie einen 5-V-Abblockkondensator (C5VH) zwischen 5VH und VSW. Die oberen Abblockkondensatoren für VB, 5VH, und VDDH müssen unter Systemerwägungen sorgsam gewählt werden, um damit die Aufwach- und Haltezeit sowie Stand-by-Leistungsverbrauch korrekt auszulegen. Auf der rechten Seite befinden sich die VBUS-Kondensatoren, wobei sich Folien- oder Elektrolytkondensatoren einsetzen lassen. Kleine HV-Kondensatoren filtern unerwünschte Resonanzen auf der Versorgung, da dieses Design für einen DC-Eingang ausgelegt ist. Abschließend lassen sich optional mithilfe von R17 und C18 Resonanzen an den Ausgängen verhindern, die möglicherweise von längeren Motorverbindungen herrühren können.
Es ist wichtig festzuhalten, dass Anwender die Schaltgeschwindigkeit der Leistungsschalter mit einem externen Widerstand einstellen können (R7 in diesem Fall). Eine langsamere Schaltgeschwindigkeit erhöht die Schaltverluste, aber nicht sehr stark, da diese von vornherein sehr niedrig sind. Damit kann die Schaltgeschwindigkeit an die Bedürfnisse des Motors angepasst werden, und die resultierenden Emissionen können so abgestimmt werden, dass die erforderlichen Standards eingehalten werden und die EMI-Filter-Komponenten verkleinert werden können. Hier ist 50 Ω ein guter Startpunkt.
Der Widerstand am CS-Pin (R8) kann so gewählt werden, dass die resultierende Spannung am ADC-Eingang des Mikrocontrollers passend skaliert ist. Wenn allerdings die Spannung an diesem Pin 1,9 V übersteigt, wird die integrierte Überstromabschaltung aktiv. Daher ist es wichtig zu wissen, dass der Widerstandswert sowohl die Ausgangsspannung als auch die Überstromabschaltung beeinflusst.
Die Auto-Stand-by-Funktion soll den Stromverbrauch des NV6247 verringern, wenn keine Schaltvorgänge stattfinden. Wenn für etwa 90 µs keine Flanken am Eingang festgestellt werden, schaltet das GaN-IC automatisch in einen Betriebsmodus mit niedrigem Verbrauch, wodurch der Gate-Driver und andere Schaltungsteile deaktiviert werden, und der Betriebsstrom auf einen niedrigen Wert sinkt. Wenn dann wieder INL-Pulse angelegt werden, wird das IC nach einer Aufwachzeit (typischerweise 450 ns) wieder in den normalen Betriebsmodus wechseln.
Das Board wurde mit einem BLDC-Motor sowie einer mechanischen Last getestet, mit den folgenden Betriebsbedingungen: DC-Eingangsspannung 300 V, Umgebungstemperatur +25 °C, FOC-Algorithmus zur Motoransteuerung, Schaltfrequenz 20 kHz. Der thermische Widerstand von der Platine zur Umgebung (Rth,CA) wurde mit etwa 12,5 K/W bestimmt. Bild 4 zeigt den sich ergebenden Wirkungsgrad des Umrichters ohne Berücksichtigung des Motorwirkungsgrades, und erreicht 99 Prozent für Leistungen von 300 W.
Auch wenn der Wirkungsgrad des Umrichters normalerweise besser ist als der des Motors, ist es dennoch wichtig, die Verluste im Umrichter zu bestimmen und zu minimieren, um die Kühlung passend auszulegen. Bei einer Verlustleistung von unter 3 W bei 300 W Ausgangsleistung lässt sich der Kühlkörper massiv verkleinern. Dadurch lässt sich das System leichter thermisch auslegen, das System wird zuverlässiger, der Montageaufwand, der mit dem Einbau größerer Kühlkörper verbunden ist, lässt sich unter Umständen vermeiden. Die beiden Kurven zeigen, dass die Schaltgeschwindigkeit (rot = 20 V/ns, blau = 40 V/ns) den Wirkungsgrad nur gering beeinflusst.
Bild 5 zeigt, dass die Temperatur der IC-Gehäuse bei 300 W Ausgangsleistung und +25 °C Umgebungstemperatur kaum +60 °C erreicht. Da die PQFN-Gehäuse der Leistungsschalter thermisch gut an die Platine angebunden sind, bestimmt sich die maximale Ausgangsleistung im Wesentlichen durch die Umgebungstemperatur sowie die maximal erlaubte Platinentemperatur, üblicherweise +105 °C. Der GaN-Schalter selbst arbeitet fehlerfrei auch bei deutlich höheren Temperaturen, womit diese Technologie eine sehr hohe Zuverlässigkeit aufweist und gegen abnorme Betriebsbedingungen wie Kurzschluss oder Rotor-Blockade robust ist. Bei beiden Fehlerfällen können die Temperaturen des Leistungsschalters schnell in die Höhe schießen.
Jeder Motor hat andere Anforderungen, aber die wichtigen Trends gehen alle in dieselbe Richtung: verbesserter Wirkungsgrad, bessere Leistungsfähigkeit, niedrigere Systemkosten. Halbbrücken-ICs mit GaNSense von Navitas wollen diese Trends bedienen und die Verlustleistung verringern, während die Gesamtkosten sinken. Und sie bieten eine hohe Integrationsdichte bezüglich Ansteuerung, Schutz, Sensorik, um damit motorintegrierte Umrichter mit hoher Leistung und Zuverlässigkeit zu ermöglichen.
[1] Ribarich, T., New GaNFast Power ICs with GaNSense Technology Loss-Less Current Sensing & Autonomous Protection, Application Note AN015, Navitas Semiconductor, Dec 2021 (abgerufen am 20.01.2023).
[2] Ribarich, T., New GaNFast Half-Bridge Power ICs with GaNSense Technology, Application Note AN018, Navitas Semiconductor, Dec 2021, https://tinyurl.com/5426zhu3
ist Senior Director Industrial and Consumer bei Navitas Semiconductor.
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