通過GaN電機(jī)系統(tǒng)提高機(jī)器人的效率和功率密度

作者：MartinWattenberg，來源：電子技術(shù)設(shè)計(jì)

機(jī)器人在不同的市場有不同的應(yīng)用，并以多種形式出現(xiàn)，包括服務(wù)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人(cobots)、工業(yè)機(jī)器人、自主式無人機(jī)和自動(dòng)導(dǎo)引車。機(jī)器人應(yīng)用成功的關(guān)鍵因素之一是確保最佳的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。硅基電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要在效率和尺寸之間做出妥協(xié)。例如，較高的開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)較小的無源元件，但會(huì)因相當(dāng)大的開關(guān)損耗而導(dǎo)致散熱量增加。有人建議，可以通過用氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)代替硅開關(guān)來克服這種折中方案。本文研究這是否真的適用于GaN基的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

GaN基電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

圖1展示了100VGaN基的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的頂層框圖。該設(shè)計(jì)以兩個(gè)100V、3mΩCoolGaN肖特基柵極HEMT的半橋電路為中心，每個(gè)HEMT都有一個(gè)外露的裸片在封裝的頂部，以實(shí)現(xiàn)雙面冷卻。半橋電路具有最小的環(huán)路電感(400pH)，可在不超過峰值漏極電壓額定值的情況下，實(shí)現(xiàn)1ns范圍內(nèi)的非?？焖俚碾妷恨D(zhuǎn)換。

圖1：100VGaN基CoolGaN肖特基柵極HEMT的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

為該設(shè)計(jì)選擇的柵極驅(qū)動(dòng)器是1EDN7126G，它是1EDN71x6GEiceDRIVER柵極驅(qū)動(dòng)器系列的成員，專為與GaN開關(guān)和邏輯電平MOSFET一起使用而設(shè)計(jì)?？蔀榉秶鷱?.5A(1EDN7146G)到2A(1EDN7116G)的不同拉/灌電流強(qiáng)度提供靈活的開關(guān)速度。同時(shí)，與具有隔離式柵極電阻器的設(shè)計(jì)相比，布局復(fù)雜性和環(huán)路電感有所降低。

真差分輸入(TDI)是該系列的一個(gè)特點(diǎn)，即使在快速開關(guān)瞬態(tài)期間也能保證穩(wěn)定運(yùn)行。它為高壓側(cè)開關(guān)提供共模電壓抑制，為低壓側(cè)提供接地反彈抗擾度。此外，1EDN71x6G系列在輸出級還具有一個(gè)“有源Miller鉗位”(AMC:ActiveMillerclamp)，在柵極電壓降至0.4V以下后不到3ns，就可將其下拉強(qiáng)度提高到5A，。這使得GaNHEMT的關(guān)斷速度，可以在不增加其對感應(yīng)導(dǎo)通敏感性抗擾度的情況下進(jìn)行改變。0.3Ω的低下拉電阻意味著一旦驅(qū)動(dòng)器鎖存，即使在高速開關(guān)的時(shí)候，柵極電壓也會(huì)安全地保持在0V。

三個(gè)半橋中包括單獨(dú)的溫度和同相電流檢測。電路板的兩側(cè)使用薄型100V陶瓷，從而確保了總直流鏈路電容超過80μF。高開關(guān)頻率降低了這些電容器上的紋波電流，進(jìn)而消除了使用大型電解電容器的需求。

該設(shè)計(jì)使用48V至5V降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器為低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器提供穩(wěn)定的電源電壓。1EDN71x6GEiceDRIVER的有源自舉鉗位功能用于為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器供電。

同相電流檢測優(yōu)于傳統(tǒng)的低側(cè)電流測量，能優(yōu)化高頻電源環(huán)路電感并充分利用CoolGaNHEMT提供的快速開關(guān)速度。隔離式同相電流傳感器比差分電流放大器具有更好的電壓瞬變抗擾度。XENSIVTLI4971通過基于單片霍爾技術(shù)的無芯設(shè)計(jì)滿足這些要求，提供非常線性的輸出，以及從±25到±120A的可配置傳感范圍。240kHz的帶寬甚至可以滿足要求苛刻的磁場定向控制(FOC)應(yīng)用。

XMC4400驅(qū)動(dòng)卡可提供無傳感器FOC，最大開關(guān)頻率為100kHz，控制回路更新為20kHz。將控制頻率提高到與開關(guān)頻率相同，可以在需要快速動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的控制帶寬。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的俯視圖、側(cè)視圖和仰視圖如圖2所示。整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的所有組件，包括直流鏈路電容、電流傳感器、輔助電源和方便的測試點(diǎn)，都位于一個(gè)只有56mm×40mm的矩形區(qū)域。電路板的厚度僅為3.7mm。因此，該解決方案的總體積為8.3cm3，這意味著在需要1kW功率處理能力的應(yīng)用中，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率密度為120W/cm3，或2kW/in3。

圖2：CoolGaN電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的俯視圖、側(cè)視圖和仰視圖

限制電機(jī)電壓變化率的兩個(gè)因素是繞組絕緣擊穿和軸承磨損。繞組絕緣對于48V電機(jī)(通常具有更高電壓水平的絕緣額定值)來說不是一個(gè)重要問題。軸承磨損可能是某些48V電機(jī)中的一個(gè)問題，因此由于這些原因，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)速度有時(shí)會(huì)受到限制。然而，將驅(qū)動(dòng)器連接到電機(jī)的電纜會(huì)顯著影響電機(jī)側(cè)的有效dV/dt，如圖3所示。在本研究中，電機(jī)上的dV/dt大約比在CoolGaN電機(jī)驅(qū)動(dòng)器處(4.9V/ns，對比51V/ns)看到的低一個(gè)數(shù)量級。此外，必須考慮特定應(yīng)用的因素，如機(jī)械載荷、標(biāo)稱轉(zhuǎn)速和溫度，來確定軸承壽命。

圖3：開關(guān)波形比較，直接在帶有緊密探測回路的開關(guān)節(jié)點(diǎn)處(藍(lán)色)，在螺釘端子的稍微延伸的探測回路處(紅色)，以及直接在使用光隔離差分探頭測量的兩相之間的電機(jī)端子處(綠色和橙色)

更高的開關(guān)頻率提高了系統(tǒng)效率

CoolGaN器件的高速開關(guān)為設(shè)計(jì)人員在選擇開關(guān)頻率時(shí)提供了更大的選擇余地。它使他們能夠綜合考慮端到端效率和整體解決方案尺寸，而不僅僅是關(guān)注逆變器效率。

這種基于CoolGaN的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)效率，是結(jié)合商用低電感(20μH相間)高極數(shù)(14P)無人機(jī)電機(jī)，在20、60和100kHz開關(guān)頻率下測量的。使用萬用表測量逆變器的直流電輸入功率，使用測功機(jī)測量電機(jī)的機(jī)械輸出功率。為了進(jìn)行比較，圖4顯示了在20kHz和100kHz下以100W和500W運(yùn)行的相電流波形。更高的開關(guān)頻率會(huì)使電流紋波、RMS電流和發(fā)熱顯著降低。在100W時(shí)，RMS電流從5.6A降低到4.5A(降低20%)；在500W時(shí)，它從26.2A減少到23.1A(減少12%)。

圖4：100W(左)和500W(右)運(yùn)行的相電流波形

雖然在輕負(fù)載時(shí)，RMS相電流在較高開關(guān)頻率下的相對降低更為明顯，但在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都可以看到繞組溫度方面的優(yōu)勢。在500W機(jī)械輸出功率下，繞組溫度從20kHz時(shí)的110?C下降到100kHz時(shí)的大約80?C(圖5)。這對于像協(xié)作機(jī)器人這樣的需考慮散熱的應(yīng)用來說很重要。

圖5：20、60和100kHz運(yùn)行時(shí)的電機(jī)繞組溫度

電機(jī)中較低的電流紋波可減少繞組和磁芯損耗，從而降低電機(jī)溫度。然而，開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，因而會(huì)增加逆變器的功率損耗和溫度。對于傳統(tǒng)的MOSFET或基于IGBT的設(shè)計(jì)，由于高開關(guān)損耗，這將是一個(gè)不利的折中。然而，由于CoolGaNHEMT的開關(guān)損耗極低，端到端效率隨著開關(guān)頻率的提高而提高，如圖6所示。

圖6：20和60kHz的端到端效率

總結(jié)

本文介紹了使用無傳感器FOC方案用于48V應(yīng)用的GaN基電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)評估表明，GaN器件能夠在不降低系統(tǒng)效率或溫度限制的情況下，使用更高的開關(guān)頻率。這些更高的頻率帶來更低的電機(jī)溫度、更高的端到端系統(tǒng)效率和更高的功率密度。其更小的外形尺寸，意味著該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以嵌入電機(jī)底盤附近(例如，機(jī)器人手臂內(nèi)部)，從而減輕長連接器電纜引起的EMI。

審核編輯 黃宇