Motorsteuerung mit GaN-Leistungs-ICs

Effizient, robust, kostengünstig

23. September 2022, 14:30 Uhr | Von Alfred Hesener
Efficiency, Power Electronics
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Elektrische Antriebe gehören zu den größten »Energiefressern«. Daher liegt in der Verbesserung des Wirkungsgrads ein großes Potenzial, Energie unddamit Klimagase einzusparen. Leistungs-ICs auf Basis von Galliumnitrid (GaN) können dabei helfen.

Motoren benötigen fast 50 Prozent des in Europa produzierten Stroms. Daher haben die Länder Vorschriften und Standards geschaffen, um den Strom so effizient wie möglich einzusetzen und das Stromnetz so wenig wie möglich zu beeinträchtigen und zu stören. Antriebe mit variabler Drehzahl (VSD, Variable Speed Drives) sind heute weit verbreitet, da sie die Energieaufnahme im Vergleich zu älteren Asynchron- und Induktionsmotoren mit konstanter Drehzahl um bis zu 90 Prozent reduzieren. Gleichzeitig bieten sie weitere Vorteile wie eine geringere Motorgröße, verbesserte Dynamik und mehr Zuverlässigkeit.

Normen wie IEC 61000 wurden geschaffen, um das Stromversorgungsnetz in Bezug auf Störfestigkeit und Emissionen elektrischer Geräte zu unterstützen, da große induktive Lasten von Motorantrieben die Stabilität des Stromnetzes vor Ort erheblich beeinträchtigen können. Um diese Normen zu erfüllen, wurden verschiedene Techniken in das Motorantriebssystem integriert, darunter eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction), die die verzerrte Welle wieder in eine Sinuswelle zurückmoduliert, um die Wirkleistung aus dem Versorgungsnetz zu maximieren.

Höhere Leistungsfähigkeit, niedrigere Kosten

Qualitativer Vergleich der Gesamtbetriebskosten für ein konventionelles Motorantriebssystem und eines mit der GaNFast-IC-Technologie
Tabelle 1: Qualitativer Vergleich der Gesamtbetriebskosten für ein konventionelles Motorantriebs-system und eines mit der GaNFast-IC-Technologie.
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Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke (WBG, Wide Bandgap), der im Vergleich zu Silizium-Pendants überlegene Eigenschaften bietet, unter anderem bis zu 20-mal schneller schaltet und die Leistungsdichte um mehr als das Dreifache erhöht. Der Einsatz von GaN-Leistungs-ICs in einem Antriebssystem für PFC- und Wechselrichterstufen senkt die Verlustleistung. Dies kann die Gesamtbetriebskosten (TCO, Total Cost of Ownership) der gesamten Lieferkette für Motorantriebe senken (Tabelle 1).

GaN-FETs haben keine Speicherladung (Reverse Recovery Charge), was sehr schnelles Schalten ermöglicht. Dadurch sind die Schaltverluste gegenüber IGBTs vier- bis fünfmal kleiner und etwa 50 Prozent geringer als bei Silizium-MOSFETs (Bild 1). Dadurch sinkt die Abwärme des Bausteins, wodurch sich Kühlkörper verkleinern oder bei Antrieben mit geringerer Leistung sogar eliminieren lassen. Im Jahr 2021 erreichten die Kosten für maschinell bearbeitetes Aluminium in Kühlkörperqualität mit einem Preis von etwa acht US-Dollar pro Kilogramm ein 13-Jahres-Hoch, sodass die Minimierung der Kühlkörperanforderungen erhebliche Einsparungen bei den Gesamtsystemkosten mit sich bringt. Zudem ergeben sich geringere Versandkosten aufgrund des reduzierten Systemgewichts.

GaNFast-ICs von Navitas weisen im Vergleich zu Silizium-IGBTs und -MOSFETs die geringsten Leistungsverluste über alle Schalt-frequenzen auf (Bedingungen: Ausgangsleistung 2 kW, Zwischenkreisspannung 400 V, Strom 7 A, Spannungsanstieg 6 V/ns)
Bild 1. GaNFast-ICs von Navitas weisen im Vergleich zu Silizium-IGBTs und -MOSFETs die geringsten Leistungsverluste über alle Schalt-frequenzen auf (Bedingungen: Ausgangsleistung 2 kW, Zwischenkreisspannung 400 V, Strom 7 A, Spannungsanstieg 6 V/ns).
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Die Kombination aus sehr niedrigen Schaltverlusten und null Speicherladung ermöglicht einen neuen Freiheitsgrad bei Schaltfrequenzen für drehzahlvariable Antriebe. Motorantriebe wurden bisher auf eine niedrige Schaltfrequenz ausgelegt, um Schaltverluste zu reduzieren. Durch den Einsatz von GaN lassen sich die Schaltfrequenzen nun deutlich von unter 16 kHz auf über 65 kHz erhöhen, was zahlreiche Vorteile mit sich bringt. Erstens kann die Induktivität der Motorwicklung reduziert werden, was die Motorgröße verkleinert und den Wirkungsgrad aufgrund der geringeren ohmschen und HF-Verluste in den Wicklungen erhöht.

Zweitens lässt sich das gesamte Spektrum des vom Antrieb erzeugten und in das Netz zurückgespeisten leitungsgebundenen Rauschens in einen höheren Frequenzbereich verschieben. Dies ermöglicht kleinere EMI-Filterkomponenten sowie kleinere und kostengünstigere Eingangsfilter. Ein dritter Vorteil ist die verbesserte Dynamik aufgrund der größeren Regelkreisbandbreite. Dies ist vorteilhaft für hochdynamische Systeme wie Industrienähmaschinen, Drahtbonder und Servos, um deren Genauigkeit und Drehzahl erheblich verbessern zu können.

In realen Anwendungen wie Motorantrieben können anormale Betriebsbedingungen zu hohen transienten Spannungen an den Leistungsschaltern führen. Blitzeinschläge in Stromleitungen sind ein häufiges Problem, aber auch das Ein- oder Ausschalten großer elektrischer Lasten. Diskrete GaN-FETs reagieren empfindlich auf diese Überspannungen, aber durch die monolithische GaN-Integration lassen sich auch 2-kV-ESD-Dioden (elektrostatische Entladung) hinzufügen.

Es ist auch ratsam, die maximale Spannung auf die Durchbruchspannung des Bauelements zu begrenzen – die heute übliche Praxis für Silizium-IGBTs. GaN-ICs von Navitas sind für dauernde Sperrspannungen von 650 V oder 700 V und transiente Spannungen von bis zu 800 V ausgelegt, was deutlich über den gängigen Spannungsspitzen in alltäglichen Systemen liegt und sie daher äußerst robust macht.

Vorteile durch Integration

Vereinfachtes Blockdiagramm eines GaNFast-IC mit GaNSense-Technologie von Navitas
Bild 2. Vereinfachtes Blockdiagramm eines GaNFast-IC mit GaNSense-Technologie von Navitas.
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GaNFast-ICs mit GaNSense-Technologie vereinen GaN-Leistungstransistoren mit Treiber-, Schutz- und Dynamik-Funktionen, wodurch sie sich für hochzuverlässige Motorantriebe eignen. Die Gate-Treiber-Schaltung mit zugehörigem Spannungsregler und Schutzschaltungen wie Übertemperatur- und Überstromerkennung verfügt über die autonome Fähigkeit zum Selbstschutz (Bild 2). Alle diese Funktionen sind vollständig integriert, um Leistungsfähigkeit mit Zuverlässigkeit zu kombinieren. Im Vergleich zu diskreten Ansätzen mit Silizium oder Galliumnitrid kann die GaNSense-Technologie in nur 30 ns Fehler erkennen und davor schützen – d. h. bis zu sechsmal schneller.

Die Integration der Temperaturkontrolle in die Leistungsschalter bietet eine höhere Präzision und Echtzeiterfassung im Vergleich zu einem herkömmlichen Temperatursensor mit geringer Genauigkeit auf einem Kühlkörper. Dies ist entscheidend für Motorantriebe, die eine aktive Kühlung mit Flüssigkeit oder Zwangsbelüftung verwenden. Die integrierte Übertemperatur-Schutzschaltung schaltet den GaN-IC ab, wenn die eingestellten Schwellenwerte überschritten werden, um das System schnell schützen zu können.

Der Vorteil der verlustfreien Strommessung mit GaNSense erübrigt große und teure Shunt-Widerstände, was die Systemgröße und -kosten reduzieren kann, während gleichzeitig der schnelle Schutz vor Überstrom für die Robustheit des Systems erhalten bleibt, wie sie in industriellen Motorantrieben für die Fabrikautomatisierung erforderlich ist.

Außerdem verringert sich die Gesamtzahl der Bauelemente, was zu einer deutlich geringeren Ausfallrate (FIT, Failures in Time) und einem zuverlässigeren System führt. Navitas hat vor Kurzem eine beschränkte Garantie von 20 Jahren auf seine Produkte angekündigt, was ein Novum in der Branche ist und die außergewöhnliche Zuverlässigkeit der Bauelemente unterstreichen soll.

Der Eingang lässt sich über ein einfaches digitales Signal steuern, wodurch externe Komponenten entfallen und sich der Platzbedarf auf der Leiterplatte verringert. Dies ist für kompakte Motorantriebe von Vorteil, bei denen die komplette Elektronik in das Motorgehäuse passt.

Anwendungsbeispiel Umwälzpumpe

Viele Häuser und Gebäude in kälteren Klimazonen werden durch Heizkörper beheizt, die mit Warmwasser aus einer Zentralheizung versorgt werden. Eine kleine Umwälzpumpe (unter 70 W) bringt das Warmwasser zu den Heizkörpern und benötigt vor allem im Winter eine erhebliche Menge an elektrischer Energie. Dabei handelt es sich jedoch nicht nur um eine einfache Wasserpumpe, die in einer Ecke vor sich hin summt – ausgeklügelte Steueralgorithmen passen den Pumpenbetrieb basierend auf dem Differenzdruck in den Leitungen an, um die Stromaufnahme zu reduzieren. Darüber hinaus kann das in den Rohren zirkulierende Wasser zusammen mit den Thermostatventilen und Armaturen Geräusche und Vibrationen erzeugen, die die Pumpe zu minimieren versucht. Diese Eigenschaften verbessern die Energieaufnahme in vielen verschiedenen Pumpenanwendungen über den gesamten Leistungsbereich dieser Pumpen.

Die Integration von GaNFast-ICs mit GaNSense-Technologie reduziert die Systemgröße aufgrund der geringen Verlustleistung und des hohen Integrationsgrads, wodurch eine viel kompaktere Schaltung in das Motor- und Pumpengehäuse passt. Darüber hinaus ermöglicht die verbesserte Regelbarkeit aufgrund der hohen Schaltfrequenzen von GaNFast eine verbesserte Vibrationsdämpfung der Wassersäule und einen geringeren Stromverbrauch. Aus Tabelle 2 geht hervor, dass GaNFast-ICs mit GaNSense-Technologie den Wirkungsgrad einer Umwälzpumpe um fünf Prozentpunkte erhöhen und die Gesamtsystemkosten um 15 Prozent verringern kann.

Merkmal Auswirkung auf die Anwendung
30 % geringere Leistungsverluste als bei Silizium-MOSFETs einfacheres thermisches Design; bis zu 10 % geringere Größe und Kosten für die Leiterplatte
30 externe Komponenten weniger Reduzierung der Systemgröße; vollständiger Schutz gegen Überstrom und Übertemperatur ohne externe Bauelemente
zehnmal kürzere Totzeit 5 Prozentpunkte höherer Weirkungsgrad durch verbessertes Regelkreisverhalten; weniger Oberwellen und Drehmoment-Welligkeit

Tabelle 2: So können GaNFast-ICs mit GaNSense-Technologie eine Wärmepumpe effizienter und kostengünstiger machen.

Anwendungsbeispiel Waschmaschine

Das Antriebssystem einer Waschtrommel erfordert hohe Robustheit, wobei die Waschprogramme kontinuierlich optimiert werden, um Waschmittel, Wasser und Strom zu sparen. Der Trend weg von herkömmlichen riemengetriebenen Systemen hin zum Direktantrieb, bei dem ein großer, flacher, scheibenförmiger Motor direkt an der Trommel befestigt ist, ermöglicht größere Trommeln und macht den Riemen mit seiner begrenzten Lebensdauer und zusätzlichen Vibrationen überflüssig.

Da der Motor insbesondere bei niedriger Drehzahl über ein deutlich höheres Drehmoment verfügt, verbessert sich der Betrieb über alle Waschprogramme hinweg, auch bei Vibrationen und einer ungleichmäßigen Verteilung der Last. Diese Direktantriebsmotoren (ca. 600 W) haben viele Pole und erfordern daher im Vergleich zu herkömmlichen bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) für den Riemenantrieb schnellere Schaltfrequenzen, um die gewünschte Drehzahl zu erreichen.

GaNFast-ICs mit GaNSense-Technologie bieten eine geringere Verlustleistung als siliziumbasierte Produkte, vollen Schutz und Dynamik, was zu kleineren Kühlkörpern, einem geringeren Gewicht und größerer Waschkapazität führt. Ohne die Rückwärtserholung lassen sich hohe Frequenzen für Motoren mit vielen Polen auch bei moderaten Schaltfrequenzen erreichen, da die Halbbrücken idealerweise eine kurze Totzeit aufweisen.

Dies reduziert auch hörbare Geräusche und Leistungsverluste im Motor. Der integrierte Schutz gegen Übertemperatur und Überstrom erhöht die Robustheit der Waschmaschine, indem die ungleichmäßige Verteilung der Wäsche in der Trommel beim Anlaufen kompensiert und gleichzeitig die Anzahl externer Bauelemente reduziert wird.

Aus Tabelle 3 geht hervor, dass GaNFast-ICs mit GaNSense-Technologie den Wirkungsgrad einer Waschtrommel um acht Prozentpunkte erhöhen und die Gesamtsystemkosten um 26 Prozent verringern können.

Merkmal Auswirkung auf die Anwendung
40 % geringere Leistungsverluste als bei Silizium-IGBTs 30 % geringere Kosten und Größe des Kühlkörpers; 10 bis 15 K niedrigerer Temperaturhub
30 externe Komponenten weniger Reduzierung der Systemgröße; Schutz vor Überströmen durch autonomes Erkennen in 30 ns
zwanzigmal kürzere Totzeit 8 Prozentpunkte höherer Weirkungsgrad durch verbessertes Regelkreisverhalten; weniger Oberwellen und Drehmoment-Welligkeit

Tabelle 3: GaNFast-ICs mit GaNSense-Technologie ermöglichen einen um acht Prozentpunkte höheren Wirkungsgrad und 26 Prozent niedrigere Gesamtsystemkosten in Antrieben mit hoher Leistung.

Fazit

Jeder Motor hat andere Anforderungen, aber die Trends gehen in dieselbe Richtung: höherer Wirkungsgrad, mehr Leistungsfähigkeit und niedrigere Kosten. GaNFast-ICs von Navitas sollen den Systemwirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit steigern, gleichzeitig die Gesamtbetriebskosten des Systems senken. GaNFast-ICs mit GaNSense-Technologie bieten zusätzlich noch integrierte Ansteuerung, Stromregelung, Schutz und Sensorik, um die Leistungsfähigkeit mit höchster Zuverlässigkeit und Robustheit zu kombinieren, wie sie in modernen Motorantriebsanwendungen erforderlich ist.

Der Autor

 

 

Alfred Hesener von Navitas Semiconductor
Alfred Hesener von Navitas Semiconductor.
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Alfred Hesener

ist Senior Director Industrial and Consumer bei Navitas Semiconductor. Er hatte eine Reihe von Positionen in der Halbleiterindustrie mit Schwerpunkt Leistungselektronik bei Unternehmen wie Atmel, Fairchild Semiconductor und Infineon inne. Bevor er Anfang dieses Jahres zu Navitas kam, war er Senior Director für technisches Marketing bei Infineon Technologies in München. Hesener hat einen MSEE in Halbleiterelektronik von der Technischen Universität Darmstadt.


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