Gains d'espace dans les conceptions de commande moteur avec des circuits d'attaque de grille hautement intégrés

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Les moteurs CC sans balais (BLDC) triphasés à haut rendement et haute densité de puissance, alimentés par batteries Li-ion, permettent de développer des outils électriques, des aspirateurs et des vélos électriques sans fil. Toutefois, pour gagner de la place et pouvoir proposer des dispositifs électromécaniques encore plus compacts, les concepteurs n'ont pas d'autre choix que de réduire davantage la taille de leurs composants électroniques de commande moteur.

Ce n'est pas une mince affaire. Il est déjà très compliqué de faire tenir les composants du circuit d'attaque dans un espace restreint, et le fait de rapprocher tous ces composants entraîne des problèmes de gestion thermique et bien entendu des problèmes d'interférences électromagnétiques (EMI).

Les concepteurs de circuits de commande moteur peuvent réaliser des conceptions plus minces en se tournant vers la nouvelle génération de circuits d'attaque de grille hautement intégrés, ce circuit constituant l'élément critique du système de commande moteur.

Cet article aborde le fonctionnement des moteurs BLDC avant de présenter des circuits d'attaque de grille adaptés et d'expliquer comment les utiliser afin de résoudre les problèmes de conception de systèmes de commande moteur compacts.

Concevoir des moteurs électriques plus performants

La conception de moteurs électriques a rapidement évolué en raison des deux enjeux commerciaux majeurs que sont le rendement énergétique et le gain de place. Le moteur BLDC à commande numérique fait partie de cette évolution. La popularité de ce moteur est due à l'utilisation d'une commutation électronique, qui est plus efficace que les moteurs CC traditionnels (à commutation par balais). Ce mode de fonctionnement entraîne une hausse du rendement de 20 à 30 % pour des moteurs fonctionnant à la même vitesse et avec la même charge.

Cette amélioration permet aux moteurs BLDC d'être plus compacts, plus légers et plus silencieux pour une sortie de puissance donnée. Autres avantages des moteurs BLDC : de meilleures caractéristiques de vitesse par rapport au couple, une réponse plus dynamique, un fonctionnement silencieux et des plages de vitesses plus élevées. Les ingénieurs font également tout leur possible pour que leurs conceptions fonctionnent à des tensions et des fréquences plus élevées, car cela permet à un moteur électrique compact d'en faire autant qu'un moteur traditionnel plus volumineux.

Les performances d'un moteur BLDC dépendent principalement de l'alimentation à découpage électronique et des circuits de commande moteur, qui produisent une entrée triphasée qui, à son tour, produit un champ magnétique rotatif qui actionne le rotor du moteur. Étant donné que le champ magnétique et le rotor tournent à la même fréquence, le moteur est dit « synchrone ». Des capteurs à effet Hall transmettent les positions relatives du stator et du rotor de manière à ce que le contrôleur puisse commuter le champ magnétique au bon moment. Il existe également des technologies « sans capteur » qui surveillent la force contre-électromotrice (FCEM) pour déterminer les positions du stator et du rotor.

La configuration la plus fréquemment utilisée pour appliquer de manière séquentielle du courant à un moteur BLDC triphasé comprend trois paires de MOSFET disposées en pont. Chaque paire agit comme un onduleur pour convertir la tension CC de l'alimentation en tension CA nécessaire pour commander un enroulement du moteur (Figure 1). Dans les applications haute tension, on utilise généralement des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) à la place des MOSFET.

Schéma d'une commande de moteur BLDC triphasé numérique

Figure 1 : La commande d'un moteur BLDC triphasé numérique utilise généralement trois paires de MOSFET, dont chacune fournit la tension CA pour un enroulement du moteur. (Source de l'image : Texas Instruments)

La paire de transistors comprend un dispositif bas potentiel (source reliée à la masse) et un dispositif haut potentiel (source flottante entre la masse et le rail d'alimentation haute tension).

Dans une configuration typique, les grilles MOSFET sont commandées grâce à la modulation de largeur d'impulsion (PWM), qui convertit efficacement la tension CC d'entrée en tension de commande modulée. Il convient d'utiliser une fréquence PWM d'un ordre de grandeur supérieur à la vitesse de rotation maximale anticipée du moteur. Chaque paire de MOSFET commande le champ magnétique pour une phase du moteur. Pour en savoir plus sur la commande de moteurs BLDC, consultez l'article de la bibliothèque « Comment alimenter et commander des moteurs CC sans balais » (en anglais).

Système de commande moteur électrique

Un système de commande moteur complet comprend une alimentation, un microcontrôleur hôte, un circuit d'attaque de grille et des MOSFET dans une topologie en demi-pont (Figure 2.) Le microcontrôleur définit le rapport cyclique PWM et surveille la commande en boucle ouverte. Dans les conceptions basse tension, le circuit d'attaque de grille et le pont MOSFET sont parfois intégrés dans une seule et même unité. Cependant, pour les unités haute puissance, le circuit d'attaque de grille et le pont MOSFET sont séparés afin de simplifier la gestion thermique, permettre l'utilisation de différentes technologies de processus pour le circuit d'attaque de grille et le pont, et réduire les interférences électromagnétiques.

Schéma d'une commande de moteur électrique BLDC

Figure 2 : Schéma d'une commande de moteur électrique BLDC basée sur un microcontrôleur MSP 430 de TI. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le pont MOSFET peut être composé de dispositifs discrets ou de puces intégrées. L'avantage d'intégrer des MOSFET bas potentiel et haut potentiel dans le même boîtier est que cela permet une égalisation thermique naturelle entre les MOSFET supérieurs et inférieurs, même s'ils n'ont pas les mêmes caractéristiques de dissipation de puissance. Qu'il s'agisse de dispositifs intégrés ou discrets, chaque paire de transistors nécessite un circuit d'attaque de grille indépendant pour commander la temporisation de commutation et le courant d'attaque.

Il est également possible de concevoir des circuits d'attaque de grille à l'aide de composants discrets. L'avantage de cette approche est qu'elle permet aux ingénieurs de régler précisément le circuit d'attaque de grille pour l'adapter aux caractéristiques des MOSFET et ainsi optimiser les performances du système. Les inconvénients sont les exigences d'un haut niveau d'expérience dans la conception de moteurs et l'espace nécessaire pour s'adapter à la solution discrète.

Les solutions de commande moteur modulaires fournissent une alternative, et il existe de nombreux circuits d'attaque de grille intégrés sur le marché. Ces solutions de circuits d'attaque de grille modulaires incluent :

  • Hauts niveaux d'intégration pour réduire l'espace requis d'un dispositif
  • Fort courant d'attaque pour réduire les pertes de commutation et améliorer le rendement
  • Haute tension d'attaque de grille pour garantir la conduction MOSFET avec une résistance interne (RDS(ON)) minimum
  • Hauts niveaux de protection contre la surintensité, la surtension et la surchauffe pour permettre un fonctionnement fiable du système dans les pires conditions

Les dispositifs tels que les circuits d'attaque de grille triphasés de la gamme DRV8323x de Texas Instruments réduisent le nombre de composants du système, son coût et sa complexité, tout en répondant aux exigences des moteurs BLDC haut rendement.

La gamme DRV8323x est disponible en trois variantes. Chacune comprend trois circuits d'attaque de grille indépendants, capables de commander une paire de MOSFET haut potentiel et bas potentiel. Les circuits d'attaque de grille incluent une pompe à charge qui permet de générer une haute tension de grille (avec prise en charge du rapport cyclique jusqu'à 100 %) pour les transistors haut potentiel et un régulateur linéaire qui permet d'alimenter les transistors bas potentiel.

Les circuits d'attaque de grille de TI comprennent des amplificateurs de détection qui peuvent également être configurés pour amplifier la tension au niveau des MOSFET bas potentiel, si nécessaire. Ces dispositifs peuvent fournir jusqu'à 1 A, absorber un courant d'attaque de grille jusqu'à 2 A crête et fonctionner à partir d'une seule alimentation, avec une vaste plage d'entrée de 6 V à 60 V.

La version DRV8323R, par exemple, comprend trois amplificateurs de détection de courant bidirectionnel qui surveillent le niveau de courant à travers chaque pont MOSFET grâce à une résistance shunt bas potentiel. Le gain de l'amplificateur de détection de courant peut être ajusté via une interface matérielle ou SPI. Le microcontrôleur est connecté à EN_GATE du DRV8323R pour pouvoir activer ou désactiver les sorties d'attaque de grille.

Le dispositif DRV8323R inclut également un régulateur abaisseur de 600 mA qui peut servir à alimenter un contrôleur externe. Ce régulateur peut utiliser l'alimentation du circuit d'attaque de grille ou une alimentation séparée (Figure 3).

Schéma du circuit d'attaque de grille hautement intégré DRV8323R de Texas Instruments

Figure 3 : Les circuits d'attaque de grille hautement intégrés tels que le DRV8323R de TI réduisent le nombre de composants du système, son coût et sa complexité, tout offrant un gain de place. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les circuits d'attaque de grille comprennent de nombreuses fonctionnalités de protection, y compris le verrouillage en cas de sous-tension d'alimentation, le verrouillage en cas de sous-tension de pompe à charge, la surveillance de surintensité, la détection de courts-circuits au niveau du circuit d'attaque de grille et l'arrêt en cas de surchauffe.

Chaque DRV832x est conditionné dans une puce de 5 mm x 5 mm à 7 mm x 7 mm seulement (selon les options). Les produits économisent l'espace qui serait autrement requis par plus de 24 composants discrets.

Conception avec des circuits d'attaque de grille intégrés

Pour aider les concepteurs à être opérationnels, TI propose la conception de référence TIDA-01485. Il s'agit d'une conception de référence d'étage de puissance 1 kW à rendement de 99 % pour un moteur BLDC triphasé de 36 V, pour des applications comme les outils électriques alimentés par batterie Li-ion à 10 cellules.

La conception de référence montre en quoi l'utilisation d'un circuit d'attaque de grille hautement intégré comme le DRV8323R permet de gagner de la place dans la conception d'une commande moteur, en formant la base de l'un des circuits de commande moteur les plus compacts à ce niveau de puissance. La conception de référence implémente une commande basée sur des capteurs. (Consultez l'article de la bibliothèque « Pourquoi et comment commander de manière sinusoïdale un moteur CC sans balais triphasé », en anglais.)

Les principaux éléments de la conception de référence sont un microcontrôleur MSP430F5132, le circuit d'attaque de grille DRV8323R et trois blocs d'alimentation avec MOSFET en demi-pont 60 V CSD88599 (Figure 4).

Schéma de la conception de référence d'étage de puissance 1 kW, haut rendement de 99 % TIDA-01485 de Texas Instruments

Figure 4 : La conception de référence d'étage de puissance 1 kW, à rendement de 99 % TIDA-01485 est conçue pour un moteur BLDC triphasé de 36 V pouvant être alimenté par une batterie Li-ion à 10 cellules. (Source de l'image : Texas Instruments)

Même si le circuit d'attaque de grille est une solution modulaire hautement intégrée beaucoup plus simple qu'une conception discrète, il faut quand même réaliser quelques tâches de conception pour créer un système entièrement opérationnel. La conception de référence aide le concepteur à élaborer un prototype en présentant une solution complète.

Par exemple, pour fonctionner correctement, le circuit d'attaque de grille nécessite plusieurs condensateurs de découplage. Dans la conception de référence, un condensateur de 1 μF (C13) découple la tension de commande des MOSFET bas potentiel (DVDD), dérivée du régulateur de tension linéaire interne du DRV8323R (Figure 5). Ce condensateur doit être placé aussi près que possible du circuit d'attaque de grille afin de réduire l'impédance de la boucle. Un deuxième condensateur de découplage d'une valeur de 4,7 μF (C10) est nécessaire pour découpler l'entrée d'alimentation CC (PVDD) de la batterie 36 V.

Schéma du circuit d'application pour le circuit d'attaque de grille DRV8323R de Texas Instruments

Figure 5 : Circuit d'application pour le circuit d'attaque de grille DRV8323R. La longueur des pistes doit être réduite pour limiter les interférences électromagnétiques. (Source de l'image : Texas Instruments)

La diode D6 permet d'isoler l'alimentation du circuit d'attaque de grille en cas de chute de tension de la batterie lors de courts-circuits. Cette diode est importante, car sa présence permet au condensateur de découplage PVDD (C10) de maintenir la tension d'entrée lors de ces courtes chutes de tension.

Le maintien de la tension empêche le le circuit d'attaque de grille d'entrer dans une condition non désirée de verrouillage en cas de sous-tension. C11 et C12 sont les dispositifs clés qui permettent le fonctionnement de la pompe à charge. Ils doivent être placés aussi près que possible du circuit d'attaque de grille.

En règle générale, il vaut mieux réduire la longueur de la boucle pour les circuits d'attaque de grille haut potentiel et bas potentiel, principalement pour réduire les interférences électromagnétiques. La boucle haut potentiel part de DRV8323 GH_X, va jusqu'au MOSFET de puissance, puis repart via SH_X. La boucle bas potentiel part de DRV8323 GL_X, va jusqu'au MOSFET de puissance, puis repart via GND.

L'importance de la temporisation de commutation

Le choix des MOSFET est crucial pour les performances et le rendement des moteurs BLDC. Étant donné qu'il n'existe pas deux gammes de MOSFET identiques, chaque option dépend des délais de commutation requis. Une erreur de temporisation, aussi minime soit-elle, peut entraîner des problèmes comme un manque de rendement, des interférences électromagnétiques élevées, voire une panne du moteur.

Par exemple, une mauvaise temporisation peut entraîner un « shoot-through », une condition qui fait que les MOSFET bas potentiel et haut potentiel s'activent accidentellement, provoquant un court-circuit catastrophique. D'autres problèmes de temporisation incluent les transitoires déclenchés par une capacité parasite pouvant endommager les MOSFET. Des problèmes sont également causés par des courts-circuits externes, des ponts de soudure ou des MOSFET bloqués dans un état particulier.

TI qualifie son DRV8323 de circuit d'attaque de grille « intelligent », car il permet au concepteur de contrôler la temporisation et la rétroaction afin d'éliminer ces problèmes. Par exemple, le circuit d'attaque inclut une machine à états interne pour protéger contre les événements de court-circuit dans le circuit d'attaque de grille, pour contrôler le temps de récupération (IDEAD) des ponts MOSFET et pour garantir une protection contre l'activation parasite du MOSFET de puissance externe.

Le circuit d'attaque de grille DRV8323 comprend également une topologie push-pull ajustable pour les circuits d'attaque haut potentiel et bas potentiel, ce qui permet des excursions hautes et des excursions basses importantes du pont MOSFET externe pour éviter des problèmes de capacité parasite. Les circuits d'attaque de grille ajustables prennent en charge les changements de courant d'attaque de grille (IDRIVE) et de durée (tDRIVE) à la volée (sans recourir à des résistances de limitation du courant) afin d'affiner le fonctionnement du système (Figure 6).

Schéma des entrées de tension et de courant pour les transistors haut potentiel (VGHx) et bas potentiel (VGLx)

Figure 6 : Entrées de tension et de courant pour les transistors haut potentiel (VGHx) et bas potentiel (VGLx) dans l'un des ponts MOSFET d'un moteur BLDC triphasé. IDRIVE et tDRIVE sont importants pour le bon fonctionnement et le rendement du moteur. IHOLD sert à maintenir la grille dans l'état souhaité, tandis que ISTRONG empêche la capacité grille-source du transistor bas potentiel de provoquer une activation. (Source de l'image : Texas Instruments)

Il convient de sélectionner IDRIVE et tDRIVE dès le départ en fonction des caractéristiques du MOSFET externe, comme sa charge grille-drain et les temps de montée et de descente souhaités. Par exemple, si IDRIVE est trop bas, les temps de montée et de descente du MOSFET seront plus longs, ce qui entraînera des pertes de commutation élevées. Les temps de montée et de descente déterminent également (dans une certaine mesure) l'énergie et la durée du pic de récupération de la diode de roue libre de chaque MOSFET, ce qui peut réduire davantage le rendement.

Lors du changement d'état du circuit d'attaque de grille, IDRIVE est appliqué pendant la période tDRIVE, qui doit être assez longue pour que les capacités de la grille se chargent ou se déchargent complètement. En règle générale, il convient de sélectionner tDRIVE de manière à ce que cette période soit environ deux fois plus longue que les temps de montée et de descente de commutation du MOSFET. Notez que tDRIVE ne fait pas augmenter la durée PWM et prend fin si une commande PWM est reçue au cours de la période active.

À la fin de la période tDRIVE, un courant de maintien fixe (IHOLD) est utilisé pour maintenir la grille à l'état souhaité (excursion haute ou excursion basse). Lors de l'activation haut potentiel, la grille MOSFET bas potentiel est soumise à une excursion basse importante afin d'empêcher la capacité grille-source du transistor de déclencher une activation.

Une durée tDRIVE fixe garantit un temps de courant de crête limité en cas de défaut (par exemple un court-circuit au niveau de la grille MOSFET). Cela limite l'énergie transférée et évite d'endommager le transistor et les broches d'attaque de grille.

Conclusion

Les commandes moteurs modulaires permettent de gagner de l'espace en éliminant des dizaines de composants discrets et renforcent les avantages de la nouvelle génération de moteurs BLDC compacts, à commande numérique et haute densité de puissance. Ces circuits d'attaque de grille « intelligents » sont également dotés d'une technologie qui simplifie le processus de développement complexe de la temporisation de commutation des MOSFET de puissance, tout en atténuant les effets des capacités parasites et en réduisant les interférences électromagnétiques.

Néanmoins, il convient de bien choisir les circuits périphériques, comme les MOSFET de puissance et les condensateurs de découplage. Comme indiqué ici, les principaux fournisseurs de commandes moteur proposent des conceptions de référence sur lesquelles les développeurs peuvent s'appuyer pour leurs prototypes.

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À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key