I moduli di alimentazione DC-DC per driver di gate migliorano l'efficienza e la sicurezza dei sistemi di azionamento motore

I moduli di alimentazione DC-DC per driver di gate svolgono un ruolo chiave nei sistemi di azionamento dei motori

In settori come l'automazione industriale, i veicoli elettrici e la generazione di energia rinnovabile, soluzioni efficienti per driver di gate sono tecnologie fondamentali per ottenere risparmio energetico e operazioni sicure. I moduli di alimentazione DC-DC per driver di gate giocano un ruolo chiave nei sistemi di controllo motore, particolarmente per progetti di guida motore ad alta densità di potenza, alta efficienza e stabilità. Questi moduli forniscono tensioni e correnti di guida isolate e stabili per dispositivi 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 garantire l'isolamento elettrico tra i circuiti di controllo e di potenza, migliorando l'immunità del sistema alle interferenze e assicurando la sicurezza. Essi forniscono una tensione di alimentazione stabile e affidabile per i driver di gate, assicurando il corretto funzionamento dei dispositivi di potenza in condizioni variabili, soddisfacendo ulteriormente i requisiti di ampio intervallo di tensione per supportare le tensioni positive e negative di guida del gate necessarie per diversi dispositivi di potenza.

I drive motore richiedono un controllo efficiente e preciso delle azioni di commutazione dei dispositivi di potenza. Generalmente, i sistemi di azionamento motore adottano solitamente il metodo di controllo PWM, e la capacità di pilotare in modo efficace i dispositivi di potenza è fondamentale. I moduli DC-DC della gate driver supportano il controllo ad alte prestazioni degli azionamenti motore e forniscono tensioni di pilotaggio a basso consumo e alta efficienza che riducono le perdite di commutazione e migliorano l'efficienza complessiva del sistema di azionamento.

I dispositivi di potenza SiC e GaN, ampiamente utilizzati nei moderni azionamenti per motori, offrono velocità di commutazione elevate e richiedono tensioni più alte per il pilotaggio del gate (ad esempio, +15V/-4V). I moduli DC-DC per driver di gate possono fornire con precisione tensioni e correnti adeguate per sfruttare appieno i vantaggi prestazionali di questi dispositivi.

Nei sistemi di azionamento dei motori, 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 per driver di gate con alta tensione di isolamento (ad esempio, 3-5kV) impediscono che i disturbi elettrici o i cortocircuiti influenzino il sistema di controllo.

Questi moduli DC-DC per driver di gate possono anche supportare progetti di azionamento di motori multifase. Per motori multifase come i motori sincroni a magneti permanenti trifase, i dispositivi di commutazione del lato alto e del lato basso di ogni gamba del ponte richiedono alimentazioni indipendenti. I moduli DC-DC per driver di gate facilitano una topologia di sistema semplificata con soluzioni di alimentazione indipendenti a più canali.

Inoltre, i moduli DC-DC dei driver di gate migliorano l'affidabilità del sistema integrando funzioni di protezione, come la protezione da sottotensione e da sovratemperatura. Queste funzionalità aumentano la stabilità del modulo e la tolleranza ai guasti, migliorando efficacemente l'affidabilità complessiva dei sistemi di controllo motore.

I moduli DC-DC dei gate driver hanno una vasta gamma di scenari di applicazione tecnica

I moduli DC-DC per driver di gate hanno un'ampia gamma di scenari di applicazione tecnica, tra cui azionamenti per motori industriali, come motori servo, inverter e apparecchiature di automazione industriale. Possono essere inoltre utilizzati nei veicoli a nuova energia, inclusi inverter di azionamento per veicoli elettrici e sistemi di ricarica. Nelle applicazioni di generazione di energia eolica e di inverter fotovoltaici, i moduli DC-DC per driver di gate possono fornire un funzionamento stabile del pilotaggio del gate per semiconduttori di potenza in scenari ad alta tensione e alta efficienza. Nelle applicazioni di transito ferroviario, i moduli DC-DC per driver di gate possono fornire alimentazione isolata ai dispositivi di potenza negli azionamenti per motori ad alta potenza.

In futuro, i moduli gate driver DC-DC si svilupperanno verso una maggiore efficienza, richiedendo lo sviluppo di moduli che supportino una conversione più efficiente per soddisfare le esigenze di dispositivi di alimentazione a basse perdite e alta frequenza. Con il progresso verso la miniaturizzazione e l'integrazione dei prodotti, i design modulari permetteranno l'integrazione dei gate driver e delle alimentazioni DC-DC in package più piccoli, adatti ai progetti di azionamento di piccoli motori. Questi moduli dovranno anche supportare un'ampia gamma di temperature, garantendo un funzionamento affidabile in ambienti estremi, come le applicazioni automobilistiche e le attrezzature per reti elettriche.

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

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

Murata ha lanciato una varietà di moduli di potenza DC-DC per driver di gate, specificamente progettati per applicazioni di alimentazione DC-DC per driver di gate. Un caso d'uso tipico è fornire alimentazione per il "Lato alto" e il "Lato basso" di un motore a ponte completo, che può essere a mezzo ponte, a ponte completo o a tre fasi. L'emettitore dell'interruttore del Lato alto è un nodo di commutazione ad alta tensione e alta frequenza, e può utilizzare dispositivi IGBT, MOSFET, SiC o GaN. Richiede una tensione a doppia uscita — +Ve e -Ve. Il driver del Lato alto 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 necessaria per caricare e scaricare la capacità del gate in ogni ciclo. Devono essere presi in considerazione il derating e altre perdite nel sistema di pilotaggio. I dispositivi SiC e GaN hanno un Qg inferiore rispetto agli IGBT, ma possono operare a frequenze molto più elevate.

Secondo i datasheet, la maggior parte dei dispositivi può essere spento con 0V. Quindi, perché utilizzare una tensione di gate negativa? Questo serve a contrastare l'induttanza parassita e l'effetto della capacità di Miller. La guida del gate negativa supera l'induttanza parassita causata dall'induttanza della sorgente. Quando l'IGBT si spegne, l'improvvisa interruzione della corrente provoca un picco di tensione che si oppone alla tensione del gate. Per quanto riguarda l'effetto 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, generando una tensione positiva attraverso il resistore del gate.

Perché i moduli DC-DC per driver di gate necessitano di isolamento? Innanzitutto, per sicurezza. Il DC-DC può far parte di un sistema di isolamento di sicurezza. Ad esempio, secondo la norma UL60950, un sistema a 690 VAC richiede una distanza di strisciamento e una distanza di isolamento di 14 mm per soddisfare i requisiti di isolamento rinforzato. Inoltre, è necessario supportare la tensione di isolamento, verificata applicando una singola tensione transitoria più alta rispetto alla tensione operativa, mantenuta per un minuto.

D'altra parte, esistono esigenze funzionali. Nelle applicazioni High-side, l'ingresso-uscita DC-DC deve commutare continuamente alla frequenza PWM lungo l'intera tensione del collegamento HVDC. In questo caso, un test di tensione transitoria di un minuto non è un indicatore affidabile di isolamento. La conformità al test di scariche parziali secondo la norma IEC 60270 è il metodo migliore per garantire affidabilità a lungo termine.

La scarica parziale si verifica perché la tensione di rottura dei piccoli spazi (~3kV/mm) è molto inferiore rispetto 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 degraderà le prestazioni dell'isolamento.

Prodotti Focus

Parametri chiave ad alte prestazioni che superano i prodotti della concorrenza

Il fenomeno dell'accoppiamento capacitivo è un altro aspetto che richiede attenzione. Nei relè di alta tensione, 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 al'uscita del DC-DC, con frequenze potenzialmente elevate e tassi di variazione della tensione molto rapidi. Ad esempio, gli IGBT raggiungono tipicamente circa 30kV/μs, i MOSFET intorno a 50kV/μs, e i dispositivi SiC/GaN possono superare i 50kV/μs. L'isolamento DC-DC tra ingresso e uscita introduce un accoppiamento capacitivo (Cc), attraverso il quale le alte tensioni di commutazione generano 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 convertitori DC-DC per driver di gate di Murata mostrano prestazioni eccezionali in termini 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 una capacità di accoppiamento di 15pF.

Esistono diversi metodi per ottenere una tensione bipolare, in quanto i dispositivi di commutazione richiedono diverse tensioni di gate a seconda delle specifiche del produttore. Ad esempio, gli IGBT necessitano generalmente di +15V per la tensione positiva e -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 al SiC necessitano di +20V, +18V o +15V per la tensione positiva e -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 esigenze variegate, il modulo MGJ2 SIP di Murata offre una potenza totale di uscita di 2W, utilizzando metodi tradizionali di doppio avvolgimento per fornire tensioni di pilotaggio del gate positive e negative, tra cui +15V/-15V, +15V/-5V, +15V/-8.7V, +20V/-5V e +18V/-2.5V. Uscite specifiche aggiuntive possono essere ottenute regolando il numero di avvolgimenti.

Le serie MGJ3 e MGJ6, con potenze in uscita rispettivamente di 3W e 6W, utilizzano una tecnologia brevettata per configurare in modo flessibile uscite di tensione tripla, 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 positivo e negativo, come +15V/-5V (da un'unica uscita di 20V), +15V/-9V (da un'unica uscita di 24V) e +19V/-5V (da un'unica uscita di 24V). È possibile fornire uscite personalizzate modificando i diodi Zener.

Le soluzioni di driver di gate di Murata sono applicabili agli inverter per energie rinnovabili (eolica, solare e batterie di backup) e ai motori a velocità variabile ad alta velocità. I principali prodotti includono le serie MGN1, MGJ1/MGJ2, MGJ1 SIP, MGJ2B e MGJ3/MGJ6. Questi offrono una gamma di supporto per la tensione di barriera continua, la capacità di isolamento, le certificazioni di sicurezza, il CMTI, la temperatura operativa e la potenza. Rispetto ai concorrenti, le soluzioni di Murata si distinguono per le prestazioni in tutti questi parametri critici.

Conclusione

Il modulo di alimentazione DC-DC per driver di gate svolge un ruolo cruciale nei sistemi di controllo motore, grazie alla sua efficiente conversione di potenza, all'uscita di tensione precisa e all'isolamento elettrico affidabile, che influenzano direttamente le prestazioni dei dispositivi semiconduttori di potenza e l'efficienza complessiva del sistema. Inoltre, migliorando la capacità del sistema di resistere alle interferenze e la sicurezza operativa, questo modulo fornisce una solida base tecnica per soluzioni di controllo motore nei settori dell'automazione industriale, dei veicoli elettrici e delle energie rinnovabili. In futuro, con il continuo progresso delle tecnologie dei dispositivi di potenza, i moduli DC-DC per driver di gate si evolveranno verso una maggiore efficienza, una densità di potenza più elevata e una maggiore integrazione, contribuendo più significativamente allo sviluppo di sistemi di controllo motore ad alte prestazioni. Murata offre una linea completa di moduli di alimentazione DC-DC per driver di gate, in grado di soddisfare diverse esigenze applicative. Vi invitiamo a scoprire di più sulle informazioni relative ai nostri prodotti.