Hur man optimerar drivkretsarnas termiska prestanda för BLDC-motorer i utmanande miljöer

Borstlösa likströmsmotorer (BLDC) används allt oftare under krävande termiska förhållanden i fordonsmiljöer, i t.ex. elfordon, och industriella tillämpningar, som exempelvis inom robotteknik och tillverkningsutrustning. För konstruktörer, är effektv värmehantering en viktig faktor att ta hänsyn till för att säkerställa tillförlitlig drift av BLDC-motorer. Konstruktörer måste därför ägna särskild uppmärksamhet åt effekt-MOSFET:ar och gatedrivkretsar avseende switchningsfrekvens, effektivitet, arbetstemperaturområde och format, samtidigt som de måste se till att de uppfyller godkännanden enligt standarder som AEC-Q101, PPAP (Production Part Approval Process) och IATF (International Automotive Task Force) 16949:2016, där så är tillämpligt.

Gatedrivkretsarna bör dessutom vara kompatibla med standardiserade spänningsnivåer för TTL (transistor-transistor-logic) och CMOS för att förenkla gränssnittet med microcontrollers (MCU). De måste även kunna skydda MOSFET:ar från olika feltillstånd och de måste ha väl anpassade utbredningsfördröjningar för att stödja en effektiv drift med höga frekvenser.

För att uppfylla dessa behov kan konstruktörer koppla samman dubbla N-kanals MOSFET:ar i förstärkningsläge med högfrekventa gatedrivkretsar för att skapa kompakta, effektiva lösningar.

Artikeln inleds med en sammanfattning av överväganden gällande värmehantering vid konstruktion av drivenheter för BLDC-motorer och sammanfattar sedan kortfattat kraven i AEC-Q101, PPAP och IATF 16949:2016. Därefter presenteras exempel på högeffektiva dubbla N-kanals MOSFET:ar i förbättrat förstärkningsläge och motsvarande gatedrivkretsar från Diodes, Inc. som är lämpliga som drivsystem för BLDC-motorer i fordon och inom industrin. Artikeln avslutas med en diskussion om överväganden kring kretskortets layout rörande drivkretsar för BLDC, inklusive minimering av elektromagnetiska störningar (EMI) och optimering av termiska prestanda.

BLDC och kommutering

Den mest väsentliga skillnaden mellan BLDC-motorer och motorer med borstar är att styrning med microcontrollers krävs för att uppnå kommutering med BLDC-motorer. Detta kräver förmågan att känna av rotorns vridningsposition. Vridningspositionen kan ske med hjälp av strömavkännande resistorer eller Hall-effektsensorer. Genom att placera Hall-effektsensorer inuti motorn - separerade med 120° - är det ett vanligt, exakt och effektivt sätt att utföra lägesavkänningen.

Metoden innebär att man använder en bryggkonfiguration med sex effekt-MOSFET:ar för att driva en BLDC-motor med tre faser. Hall-effektsensorerna producerar digitala signaler som microcontrollern använder för att bestämma motorns läge, och sedan producera drivsignaler för att switcha MOSFET:arna i en erfoderlig sekvens och med önskad hastighet för att styra motorn (figur 1). Styrningsmöjligheten är en stor fördel med BLDC-motorer.

Figur 1: I en BLDC-motor med tre faser, ger tre Hall-effektsensorer den lägesinformation som krävs för att styra omkopplingen av de sex effekt-MOSFET:arna. (Bildkälla: Diodes, Inc.)

Hantering av utbredningsfördröjning

De styrsignaler som produceras av microcontrollern är för svaga för att kunna driva effekt-MOSFET:arna direkt, så en gatedrivkrets används för att förstärka microcontrollerns signaler. Införandet av gatedrivkretsar medför dock också en viss utbredningsfördröjning av styrsignalerna. Dessutom har de två kanalerna i en gatedrivkrets med halvbrygga något olika svarstider som medför en tidsförskjutning av utbredningsfördröjningen. I värsta fall kan strömbrytaren på primärsidan slås på innan strömbrytaren på sekundärsidan är helt avstängd, vilket medför att båda switcharna är ledande samtidigt. Om detta inträffar uppstår en kortslutning och motordrivningen eller motorn kan skadas eller förstöras.

Det finns ett par olika sätt att hantera problemen med utbredningsfördröjning på. Den ena innebär att man använder en snabb microcontroller som kan reagera tillräckligt snabbt för att kompensera för utbredningsfördröjningen. Två potentiella problem med detta tillvägagångssätt är att det kräver en dyrare microcontroller och att microcontrollern introducerar en dödtid i switchningsprocessen för att se till att de två switcharna aldrig är på samtidigt. Denna dödtid fördröjer den totala switchningsprocessen.

Det bästa alternativet i de allra flesta tillämpningar är att använda en gatedrivkrets med kort utbredningsfördröjning. Högeffektiva gatedrivkretsar inkluderar också logik för att förhindra korsledningar för att ytterligare öka systemets tillförlitlighet (figur 2).

Figur 2: Högeffektiva gatedrivkretsar inkluderar logik som förhindrar korsledning (mitten till vänster) och har dessutom minimal utbredningsfördröjning. (Bildkälla: Diodes, Inc.)

Hålla den sval

Säker och exakt styrning av effekt-MOSFET:arna är avgörande för att BLDC-motorer ska fungera tillförlitligt, liksom att hålla effekt-MOSFET:erna svala. Två viktiga specifikationer för värmehantering av effekthalvledare är termoresistansen i övergången mellan koppling och hölje (R_θJC) och termoresistansen i övergången mellan koppling och omgivning (R_θJA). Båda uttrycks i °C/W (grader Celsius per watt). R_θJC är är specifik för enhet och kapsling. Det är ett bestämt tal som beror på faktorer som t.ex. storlek på matrisen, material för infästning och kapslingens termiska egenskaper.

R_θJA är ett mer utbrett begrepp; det omfattar R_θJC plus temperaturkoefficienterna för lödfogen och kylflänsen. För effekt-MOSFET:ar kan R_θJA vara tio gånger större än R_θJC. Det är viktigt att hålla temperaturen för MOSFET-kapslingen (höljet) under kontroll (T_C) (figur 3). Detta innebär att faktorer som kretskortslayout och kylflänsar är mycket viktiga när man utvecklar en lösning för värmehantering till effekt-MOSFET:ar. Nästan all värme som genereras i MOSFET kommer att avledas genom kopparplattan/kylflänsen på kretskortet.

Figur 3: R_θJA är ett viktigt mått på värmeavledning och kan vara tio gånger större än R_θJC. (Bildkälla: Diodes, Inc.)

Standarder för fordonsindustrin

För att kunna användas i tillämpningar inom fordonsindustrin måste enheterna också uppfylla en eller flera industristandarder, inklusive AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP och IATF 16949:2016. AEC-Q100 och AEC-Q101 är tillförlitlighetsstandarder för halvledarelement som används inom fordonstillämpningar. PAPP är en standard för dokumentation och spårning och IATF 16949:2016 är en kvalitetsstandard baserad på ISO 9001. Mer specifikt:

AEC-Q100 är ett stresstest baserat på felmekanismer för kretsar i kapsling och omfattar fyra olika drifttemperaturområden, eller klasser:

• Klass 0: -40 °C till +150 °C
• Klass 1: -40 °C till +125 °C
• Klass 2: -40 °C till +105 °C
• Klass 3: -40 °C till +85 °C

AEC-Q101 definierar minimikrav och villkor för stresstestning av diskreta enheter som t.ex. effekt-MOSFET:ar och anger drifttemperaturområdet från -40 °C till +125 °C.

PPAP är en godkännandeprocess i 18 steg för nya eller reviderade komponenter. Den är utformad för att säkerställa att komponenterna konsekvent uppfyller de specificerade kraven. PPAP har fem standardiserade undernivåer och kraven förhandlas mellan leverantören och kunden.

IATF 16949:2016 är ett kvalitetssystem för fordonsindustrin som bygger på ISO 9001 och kundspecifika krav från fordonsindustrin. Standarden kräver certifiering av en revisor från tredje part. .

Dubbla effekt-MOSFET:ar

För att förverkliga en effektiv drift av BLDC-motorer kan konstruktörer använda dubbla N-kanals FET:ar med förstärkningsläge som t.ex. DMTH6010LPD-13 från Diodes Inc. i industriella tillämpningar och DMTH6010LPDQ-13, som uppfyller AEC-Q101 för fordonstillämpningar. Båda delarna stöds av en PPAP och tillverkas i anläggningar certifierade enligt IATF 16949. MOSFET:arna har låg ingångskapacitet (C_iss) på 2 615 pF för att stödja snabba switchningshastigheter och låg resistans (R_DS(on)) på 11 mΩ för hög switchningseffekt, vilket gör dem lämpliga för högfrekventa tillämpningar med hög effekt. Enheterna har en gatedrivkrets på 10 V, är avsedda för drift upp till +175 °C och levereras i en kapsling på 5 x 6 mm med PowerDI5060-8 som i sin tur har en stor avledningsyta för hög värmeavledning (figur 4). De termiska specifikationerna inkluderar:

• Steady State R_θJA på 53°C/W med enheten monterad på FR-4 kretskort med 2 oz koppar och med termiska genomföringar till ett bottenskikt som består av en kvadratisk kopparplatta på 2,54 cm.
• R_θJC på 4°C/W
• Märkt för +175 °C

Figur 4: DMTH6010LPD-13 och DMTH6010LPDQ-13 använder den stora avledningsytan i sin PowerDI5060-8 kapsling för att stödja hög värmeavledning. (Bildkälla: Diodes, Inc.)

Dubbla gatedrivkretsar för MOSFET

För att driva dubbla effekt-MOSFET:ar kan konstruktörer använda sig av en av de två gatedrivkretsarna med halvbrygga; DGD05473FN-7 för industriella tillämpningar eller DGD05473FNQ-7, som är godkänd för fordonssystem enligt AEC-Q100. Drivkretsarna stöds även av en PPAP och tillverkas i anläggningar certifierade enligt IATF 16949. Ingångarna är kompatibla med TTL- och CMOS-nivåer (ned till 3,3 V) för att förenkla anslutningen till en microcontroller, och den flytande drivkretsen på primärsidan är dimensionerad för 50 V. Skyddsfunktionerna omfattar UVLO och logik för förebyggande av korsledning (se figur 2 igen). Den integrerade bootstrap-dioden gör det lättare att minimera utrymmet på kretskortet. Övriga funktioner inkluderar:

• Utbredningsfördröjning på 20 ns
• Maximal fördröjningsmatchning på 5 ns
• Source-ström 1,5 A och maximalt 2,5 A sink-ström.
• Mindre än 1 µA i standby-ström
• Drifttemperaturområde enligt AEC-Q100 klass 1 på -40 °C till +125 °C

Överväganden gällande värme och EMI

Bästa praxis för kretskortslayout med de MOSFET:ar och drivkretsar som beskrivs ovan bör kombinera en kompakt konstruktion med så stora kopparområden som möjligt för MOSFET:arna för att garantera bästa möjliga värmeavledning. Den kompakta konstruktionen minimerar områden med slingor, medan korta ledningslängder minimerar EMI och minskar problemen med EMC.

För att förbättra EMC- och värmeprestandan ytterligare bör ett fast internt jordplan och ett extra strömplan på undersidan ingå i kretskortet. Dessutom bör ett separat internt lager användas för signalledningar.

MOSFET:ens kapsling har stor inverkan på den termiska prestandan. När man tittar på tre alternativ, PowerDI5060-8, PowerDI3333-8 på 3 x 3 mm och den stora DFN2020-6 på 2 x 2 mm, finner man att PowerDI5060 med den största avledningsytan har den högsta effektavledningen, 2,12 W (figur 5).

Figur 5: PowerDI5060 (blå linje) avleder mer effekt jämfört med de två mindre kapslingarna. (Bildkälla: Diodes, Inc.)

Sammanfattning

Dubbla effekt-MOSFET:ar i termiskt effektiva kapslingar kan kombineras med matchande gatedrivkretsar för att producera högeffektiva och kompakta drivenheter för BLDC-motorer med tillämpningar inom fordonsindustrin och industrin. Lösningarna kan uppfylla standarder så som AEC-, PPAP- och IATF för tillförlitlighet, dokumentation respektive kvalitet. Genom att använda den bästa kretskortslayouten kan enheterna användas för att göra det lättare för konstruktörer att uppnå den bästa termiska prestandan och EMC-prestandan för deras drivkretsar för BLDC-motorer.

Rekommenderad läsning

1. Använda vektorstyrning utan givare med BLDC- och PMS-motorer för att leverera en exakt rörelsestyrning
2. Vilka typer av kodningsfunktioner förstärker robusthet? Solid-State-komponenter, kanske?
3. Hur man väljer och använder vinkelgivare för servostyrning, motorer och robotteknik