EPC ha realizzato un progetto di riferimento di inverter per controllo motore con un ampio intervallo di tensioni di ingresso da 30 V a 140 V, adatto, ad esempio, ad essere alimentato con pacchi batterie da 80 V e 110 V. Esempi di applicazioni sono i sistemi di automazione industriale, droni agricoli e le attrezzature per la movimentazione dei materiali, come i carrelli elevatori.
La scheda EPC91200 funziona da inverter per motori da 150 V, è già completamente configurata ed è compatibile con tensioni del bus in di alimentazione in corrente continua da 30 V a 140 V. Il dispositivo utilizzato è EPC2305, un FET GaN da 150 V con una resistenza di conduzione tipica di 2,2 mΩ. Lo schema concettuale della scheda è mostrato nella Figura 1.
Figura 1 – Schema a blocchi della scheda EPC91200
Figura 2 – Le caratteristiche principali della scheda EPC91200, rispettivamente sul lato superiore e inferiore
La corrente di fase viene misurata tramite circuiti integrati di rilevamento della corrente della famiglia ACS37003. La bassa resistenza interna (265 µΩ) di questi componenti contribuisce a ridurre il riscaldamento della scheda e a minimizzare le perdite dell’inverter. La scheda EPC91200 può essere assemblata con circuiti integrati di rilevamento della corrente alimentati a 5 V della stessa famiglia, poiché sulla scheda è presente un circuito di condizionamento che converte i segnali da 5 V a 3,3 V.
Un circuito di protezione da sovracorrenti bidirezionale viene attivato in caso di necessità da una qualsiasi delle tre correnti di fase per evitare guasti indesiderati. Le soglie di sovracorrente positive e negative possono essere regolate tramite resistenze, mentre la costante di tempo del segnale di sovracorrente è impostata tramite un filtro RC collegato al segnale di spegnimento dei gate driver.
La generazione dell’alimentazione a 5 V avviene tramite un circuito che utilizza il dispositivo LNK306 di Power Integrations, rendendolo adatto a intervalli di tensione continua da 30 V a 150 V. I condensatori del DC link sono ceramici da 100 V e impilati per sopportare la tensione massima di 150 V. L’uso di due condensatori impilati da 100 V offre un compromesso migliore rispetto all’uso di condensatori da 200 V in termini di capacità equivalente per area.
La scheda inverter EPC91200 è compatibile con tutte le schede controller di EPC che si interfacciano con schede a microcontrollore di vari produttori, tra cui STMicroelectronics, Texas Instruments, Microchip e Renesas.
I gate driver STDRIVEG600 sono compatibili con una tensione del bus DC di 150 V e i segnali di tensione gate-source possono essere misurati con sonde differenziali attraverso i connettori MMCX sul lato inferiore della scheda.
Il layout della scheda EPC91200 è stato ottimizzato concentrandosi sulla resistenza in continua tra i connettori dell’ingresso DC e i connettori di fase, poiché nelle applicazioni di azionamento dei motori, la resistenza di conduzione e la resistenza delle tracce sulla scheda contribuiscono in modo significativo alle perdite complessive.
I connettori di fase a pressione (press-fit) Würth Redcube utilizzati per collegare l’inverter al motore garantiscono un contatto ohmico eccellente. Viene utilizzata la versione maschio del connettore per rendere la scheda pronta all’uso.
Inoltre, la struttura degli strati del circuito stampato (stackup) è stata ottimizzata per mantenere gli strati di rame più spessi appena sotto lo stratosuperiore: i primi due strati interni hanno, infatti, uno spessore di 140 µm (4 once), consentendo la diffusione della maggior parte della corrente continua e del calore. Due strati centrali sono stati utilizzati per sbrogliare la maggior parte dei segnali analogici e digitali. Gli altri strati sono lo specchio dei primi tre per mantenere la simmetria.
A differenza delle applicazioni di conversione DC-DC con semiconduttori in GaN, che richiedono condensatori di disaccoppiamento ad alta frequenza sullo stesso lato dei FET GaN e condensatori aggiuntivi a media frequenza sul lato opposto, a causa delle rapide transizioni sul nodo di commutazione, gli inverter per motori hanno tipicamente transizioni più lente. Di conseguenza, il numero di condensatori di disaccoppiamento può essere ridotto e riposizionato sul lato opposto della scheda. Questa modifica lascia più spazio ai piani di rame sul lato dei FET, favorendo la dispersione del calore generato dai FET e riducendo al minimo la resistenza del rame.
Conclusioni del progetto di riferimento di inverter per controllo motore
Il progetto di riferimento dell’inverter per controllo motore EPC91200 offre una soluzione versatile per un’ampia gamma di applicazioni, comprese quelle che utilizzano sistemi a batteria con tensioni di 80 V e 110 V. La scheda è un inverter per motori di uso generale, può essere utilizzata sia con tecniche di controllo a orientamento di campo, sia interfacciata con sensori, dispone di una protezione bidirezionale contro le sovracorrenti su ciascun ramo con la possibilità di regolare le soglie. L’ottimizzazione del layout del PCB per ridurre al minimo le perdite resistive dovute alla resistenza DC del circuito stampato è stata verificata utilizzando uno strumento di analisi agli elementi finiti integrato nel CAD del PCB.
di Federico Unnia, Applications Engineer – Motor Drives, Efficient Power Conversion
