Bagaimana Semikonduktor Sempit Luas Merevolusi Desain Kontrol Motor
Sistem kontrol motor terdiri dari perangkat lunak dan hardware—termasuk IGBT, semikonduktor sempit luas (WBG), dan unit mikrokontroler (MCU)—yang kompleksitasnya terus meningkat.
Di era Industri 4.0, kontrol motor berada di jantung transformasi digital. Efisiensi energi adalah prioritas utama, seiring bertambahnya permintaan listrik global dari motor listrik industri. Oleh karena itu, pengembang dan produsen komponen memprioritaskan solusi yang memberikan performa lebih tinggi sambil memotong konsumsi daya.
Kompleksitas desain juga tumbuh, didorong oleh persyaratan kontrol yang ketat yang menuntut elektronika canggih. Bahan sempit luas seperti nitrid galium (GaN) dan karbida silikon (SiC) menjadi pengait esensial.
Kontrol motor mencakup beberapa lapisan—dari kontrol gerakan tingkat rendah yang mengeksekusi algoritma yang komputasinya intensif, hingga logika aplikasi tingkat tinggi yang mengelola kipas, pompa, robot, dan mekanisme servo. Di bawah ini kami menguraikan blok pembangun kunci.
Motor dan Driver
Motor DC mendominasi aplikasi yang mengutamakan biaya. Mereka terdiri dari stator (seringkali magnet permanen) dan rotor yang menampung gulungan yang terhubung ke komutator. Regulasi kecepatan dicapai dengan mengontrol tegangan DC. Tergantung pada aplikasi, konverter full-bridge, half-bridge, atau step-down mengemudikan motor.
Motor AC bergantung pada trafo: sisi primer terhubung ke pasokan AC, sementara sisi sekunder menghasilkan arus induksi. Elektronik berbasis mikroprosesor, inverter, dan kondisi sinyal mengelola kecepatan dan torsi.
Pengontrol adalah “otak” sistem. Dalam setup sederhana satu pengontrol cukup; dalam drive yang kompleks beberapa pengontrol mengkoordinasikan perintah ke motor dan membaca kembali sinyal aktuator.
Robotika industri hampir eksklusif menggunakan motor AC tiga fasa. Gambar 1 mengilustrasikan diagram blok rangkaian kontrol elektronik di mana MCU khusus menghasilkan sinyal PWM. Untuk tugas filtering yang lebih menuntut, DSP atau FPGA lebih disukai.
Gambar 1: Diagram blok kontrol motor induksi tiga fasa yang didayakan AC (Sumber: Texas Instruments)
Pengontrol motor DC populer adalah modul Trinamic TMCM-1637 (5 A RMS) dan TMCM-1638 (7 A RMS). Unit jenis slot ini memiliki pengontrol field-oriented, sensor Hall, dan enkoder ABN, mendukung motor DC single-fasa, stepper bipolar dua fasa, dan motor DC brushless (BLDC) tiga fasa. Gambar 2 menunjukkan tata letaknya.
IGBT
Transistor bipolar terisolasi gate (IGBT) adalah terobasan dalam elektronika switching daya, memungkinkan operasi frekuensi tinggi yang esensial untuk drive motor modern. IGBT terbaru menawarkan keseimbangan yang lebih baik antara kecepatan dan stabilitas, bahkan dalam kondisi otomotif yang ekstrim.
IGBT S series 1.200-V STMicroelectronics dioptimalkan untuk operasi frekuensi rendah (hingga 8 kHz) dan menawarkan Vce(sat) rendah. Dibangun pada teknologi trench-gate, field-stop generasi ketiga, ini memberikan performa yang kokoh.
GaN dan SiC
Bahan sempit luas—GaN dan SiC—secara bertahap menggantikan silikon pada tahap daya kontrol motor. Keuntungannya meliputi:
Kerugian konduksi dan switching yang lebih rendah
Frekuensi switching lebih tinggi (hingga 10× lebih cepat)
Suhu operasi lebih tinggi (> 150 °C)
Tegangan breakdown yang lebih tinggi
Keandalan yang lebih baik di lingkungan yang sulit
HEMT GaN menunjukkan mobilitas elektron yang lebih tinggi, menghasilkan waktu rise yang lebih cepat, RDS(on) yang lebih rendah, dan kapasitas gate yang lebih rendah. Sifat-sifat ini memungkinkan frekuensi switching hingga 10× lebih tinggi daripada silikon, memotong kerugian dan generasi panas.
Dissipasi daya yang lebih rendah berarti kipas pendingin yang lebih sedikit diperlukan, mengaktifkan desain bebas kipas yang berharga dalam aplikasi ringan seperti drone.
MOSFET SiC menawarkan kenaikan efisiensi yang signifikan dan ukuran heatsink yang lebih kecil dibandingkan perangkat silikon tradisional. Kerugian reverse-recovery yang langka dan RDS(on) yang sangat rendah per satuan luas memungkinkan operasi pada frekuensi switching tinggi sambil menjaga anggaran termal terkelola.
Drive industri harus mengelola dV/dt yang tinggi saat turn-on/turn-off. MOSFET SiC dapat menghasilkan dV/dt beberapa kali lebih tinggi daripada IGBT; oleh karena itu, desain yang hati-hati—sering menargetkan 5–10 V/ns—mencegah lonjakan tegangan yang dapat merusak isolasi motor.
Perbandingan STMicroelectronics antara MOSFET SiC 1,2-kV dan IGBT silikon menunjukkan kerugian energi yang jauh lebih rendah baik untuk turn-on maupun turn-off di bawah stres 5 V/ns. Gambar 3 mengilustrasikan hasilnya.
Gambar 3: Drive inverter tiga fasa dua level (Sumber: STMicroelectronics)
Perangkat SiC memungkinkan desainer memilih frekuensi switching optimal untuk motor tertentu, memberikan manfaat performa, ukuran, dan keandalan di seluruh sektor otomatisasi otomotif dan industri.
MOSFET Infineon CoolSiC dengan teknologi interkoneksi .XT, dikemas dalam paket SMD D²PAK-7 1,200-V, mengaktifkan pendingin pasif untuk drive motor daya padat. Ini mendukung inverter bebas kipas dan bebas perawatan untuk robotika dan otomatisasi. Gambar 4 menunjukkan pengurangan kerugian konduksi di semua mode operasi.
Gambar 4: Pengurangan kerugian konduksi di semua mode operasi (Sumber: Infineon Technologies)
Mikrokontroler
Solusi kontrol motor menggabungkan hardware—IGBT, MOSFET SiC/GaN, dioda daya—dan perangkat lunak canggih yang mengelolanya. MCU modern menyediakan daya komputasi yang diperlukan untuk kontrol real-time, diagnostik, dan pemeliharaan prediktif.
Keluarga MPC57xx NXP (Arsitektur Power) mendukung aplikasi powertrain otomotif dan industri, menawarkan kualitas AEC-Q100, enkripsi on-chip, dan keselamatan fungsional ISO 26262/IEC 61508. Ini menyediakan Ethernet (FEC), dual-channel FlexRay, dan beberapa antarmuka serial.
RA6T1 Renesas (Cortex-M4) berjalan pada 120 MHz dan dapat mengontrol dua motor BLDC secara bersamaan. Terintegrasi dengan TensorFlow Lite Micro, ini menambahkan deteksi kegagalan cerdas untuk sistem motor sensorless, memungkinkan pemeliharaan prediktif.
Seiring dengan kebutuhan motor yang berdiversifikasi, pasar menyediakan spektrum IGBT, semikonduktor WBG, dan MCU. Hardware di masa depan akan perlu melepaskan tugas real-time dari prosesor, sambil memperluas diagnostik, AI, dan kemampuan keselamatan fungsional.
> Artikel ini awalnya dipubliker di situs kami yang serupa, Power Electronics News.
Konten Terkait:
Mengaluskan performa powertrain EV dengan algoritma kontrol field-oriented
Desain referensi menyederhanakan kontrol motor robotik industri
Perangkat lunak memudahkan desain pengemudi motor BLDC
Faktor kunci dalam mendesain kontrol kecepatan elektronik drone
Untuk lebih banyak Embedded, langganan newsletter email harian Embedded.
