GaNの話シリコンを粉砕するために捧げたブログ
GaNがモーター駆動用途に、どのように革命を起こすか

GaNがモーター駆動用途に、どのように革命を起こすか

2 09, 2021

普通のことを再考し、心理的バイアスを克服する

モーター駆動の用途は、産業、家電製品、自動車など、いくつかの市場に広がっています。市場に関係なく生じる共通点は、新しい技術が提案されると、その採用に対する抵抗感に直面することです。結局、知られていることに固執し、変化に抵抗することは、人間の本性です。

それは、今起こっています ―― GaN技術はモーター用途のゲーム・チェンジャです新しい技術への抵抗は、設計の複雑さ、信頼性の懸念、特にモーター駆動、安全性、EMI(電磁干渉)雑音といった課題.の場合、競合他社からの恐怖戦術として現れます。このブログでは、これらの神話を払拭し、GaNがモーター駆動用途に革命をもたらしている理由を示します。

スイッチングにおける帰還容量CRSSの効果:GaNでモーター・フレンドリーなdv / dtを得る方法

最新のMOS、GaN、SiCなどのデバイスの新しい技術を扱う場合、前世代よりも高速なスイッチを入手することは、ごく普通のことですGaNデバイスのスイッチングが非常に速いGaNデバイスのスイッチングが非常に速いため、ゲート・ドライバが制御を維持できないと考える一般的なバイアスがかかります。実際には、特定のデバイスを詳しく見るときは、その帰還容量(CRSS)特性、線形性、および低電圧値と高電圧値の比率(CRSSslow/CRSShigh)を考慮することが不可欠です。

従来のゲート駆動は、抵抗を介してスイッチのゲートに電圧を印加することによって行われます。CRSSslow/CRSShighの比率の値が大きすぎると、次のいずれかの状態が発生する可能性があります:

  • オンの開始時にスイッチが速すぎるため、dv / dtが高くなります
  • オンの終了時にスイッチが遅すぎるため、テール効果とより大きな電力損失が発生します

これは、CRSS曲線の多区分の性質に組み込まれています。

では、実際に、シリコンとGaNをどのように比べるか?

シリコン:標準的な100 VのMOS(BSC027N10NS5)のCRSSlow/CRSShigh=1500 pF / 35 pF=43

GaN:同等のEPCの100 VのeGaN® FETであるEPC2022は、CRSSlow/CRSShigh300 pF / 6 pF=50です。

したがって、eGaN FETは、スイッチング損失を低く抑えながら、MOSの対応品よりも速度を落とすことができます。CRSS曲線は、MOSFETよりも線形であるため、GaNの転流波形は、より滑らかです。さらなる利点は、固有のボディ・ダイオードからの逆回復がないことです。これによって、EMI雑音と音響雑音がさらに低減されます。

図1:(a)MOSFETのBSC027N10NS5と(b)eGaN FETのEPC2022の容量と電圧の関係。0 Vと60 Vで測定したCRSS(low)/CRSS(high)の比率は、MOSFETで43、eGaN FETで50です。

放射EMI雑音に対するdv / dtの影響

GaNインバータでは、各ユーザーのニーズに合わせてdv / dtを遅くすることができます。質問は、次のようになります。すなわち、ターゲットは何ですか? 高電圧モーター用途(つまり、320 Vの直流バス以上)では、絶縁の信頼性のために、5 V / ns以下であることが一般的な要件です。

この制限にもかかわらず、私が協力していた過去の企業では、15 V / nsでスイッチングするFredFETやスーパージャンクションMOSベースのスマート・モジュールの製品化に成功しました。これらの部品は今日、数100万個販売されており、モーター駆動のユーザーに広く受け入れられています。

しかし、バッテリー駆動の用途の低電圧(つまり、48 V)のモーターでは、どうですか? 同様のdv / dtターゲットはなく、10 V / ns~20 V / nsが非常に一般的です。これは、スイッチング損失を犠牲にせずに、GaNインバータが正常に到達するdv / dtターゲットです。

しかし、dv / dtは、放射EMI雑音の正確な予測子ですか? 答えはイエスとノーです。EMC(電磁両立性)電波暗室で何時間もテストしましたが、dv / dtだけを見て、駆動のEMIの振る舞いを予測することは難しいと言えます。

ハードウエアを扱う人々によく知られているように、GaNの速い立ち上がり時間と降下時間がEMIを生成するという一般的な「知恵」は明らかに真実ではありません

しかし、モーター用途で許される最速のdv / dtを持つことに利点はありますか?

実際には、許される最速のdv / dtによって、GaNインバータを扱うときに不要になったデッドタイムをなくすことができます。

モーター・インバータの短いデッドタイムの影響

GaNインバータを使うと、デッドタイムを10 ns以下に短くできるため、デッドタイムが200 ns以上のMOSインバータに比べて、モーターに、高調波歪みの小さい電圧を印加できます。GaNインバータの優れた直線性によって、特に低速での音響雑音動作を最小に抑え込むことができます。さらに、印加電圧の最小の高調波成分は、モーター電流の低い高調波歪みに反映されます。したがって、デッドタイムのないGaNインバータは、振動、熱、EMI雑音を低減します。

バッテリー駆動のモーター・インバータでPWM周波数を上げるときのGaNの利点

GaNインバータは、許されるdv / dtでのスイッチング損失が小さく、スイッチングがスムーズなので、100 kHzのPWM(パルス幅変調)周波数で簡単に動作できます。その直接の結果として、バッテリー・ケーブルでの電圧と電流のリップルが劇的に減少するため、電解コンデンサに基づくLC入力フィルタは必要ありません。容量値が小さい22 µFの単純なセラミック・コンデンサは、1つの330 µF(場合によっては2個)のかさばる電解コンデンサを置き換えることができるため、コストを節約でき、効率、信頼性、寿命が向上します。

100 kHzの周波数範囲では、セラミック・コンデンサのESR(等価直列抵抗)が小さくなります。100 kHzでは、セラミック・コンデンサがGaNインバータの最良のデカップリング部品です。

評価基板EPC9146での実際の測定

私の研究室では、フィルタなしで、ePower™ Stage IC のEPC2152使って、評価基板EPC9146を動作させ、モーター端子での最速転流の15 V / nsのdv / dtで測定しました。デッドタイムを10 nsに短くし、PWM周波数を20 kHzから100 kHzに上げることで、20 kHzで1個の330 µFの電解コンデンサを使ったときと比べて、100 kHzで22 µFのセラミック・コンデンサを使うと、バッテリー・ケーブルの電圧と電流のリップルを低減できます。

以下の2つのビデオは、モーター駆動回路の設計にGaNを使うと、電力密度が、いかに増加し、可聴雑音が、いかに減少するかを示しています。

結論:GaNは革新への道を進んでいます

GaNデバイスの採用が加速し続けるにつれて、既存のMOSFETメーカーは、自社の製品が最適でなくなることに近づいていることを認識し、設計者がいつも同じことをするという通常の習慣に固執することを奨励する恐ろしい戦術を編み出しています。ただし、GaNの約束された利点は、実際の回路設計で簡単に実現できます。より小さく、より速く、より信頼性が高く、同等の価格のデバイスでは、GaN FETとICを使わない理由を見つけることがますます難しくなっています ―― これは、革新への道となる技術です!