Effektväxelriktarkort med hög effekt och termisk medvetenhet för batteridrivna tillämpningar

Nuförtiden, kan batteridrivna motordrivna lösningar ofta leverera en effekt på hundratals watt med mycket låga driftspänningar. I sådana tillämpningar är det nödvändigt att hantera de strömmar som flyter genom motorns drivelektronik på ett korrekt sätt för att garantera systemets totala effektivitet och tillförlitlighet. Motorströmmarna kan överstiga tiotals ampere, vilket leder till ökad effektförlust i växelriktaren. Mer ström till växelriktarens komponenter leder till högre temperaturer, försämrad prestanda och till och med plötsliga avbrott om man överskrider de högsta tillåtna värdena. Optimering av den termiska prestandan, i kombination med ett kompakt format, är en viktig aspekt i växelriktarens konstruktionsfas som kan dölja fallgropar om den inte hanteras på rätt sätt. Ett sätt att lösa detta problem har varit att ta fram prototyper som successivt förfinas genom validering på fältet. De elektriska och termiska utvärderingarna var dock helt åtskilda, och effekterna av den elektrotermiska kopplingen hanterades aldrig vid konstruktionen. Detta resulterade vanligtvis i flera iterationer och lång tid till marknadsintroduktion. Det finns för närvarande en effektivare alternativ metod för att optimera den elektrotermiska prestandan hos motorstyrningssystem genom att utnyttja modern simuleringsteknik. Cadence® Celsius™ Thermal Solver, det branschledande programmet för samtidig simulering av el och värme för systemanalys, ger på bara några minuter en global och exakt bedömning av konstruktionens prestanda ur både elektriskt och termiskt perspektiv. STMicroelectronics, en ledande tillverkare av integrerade kretsar för industriell motorstyrning, har finjusterat sitt utvärderingskort EVALSTDRIVE101 som använder Celsius™. Resultatet är en växelriktare för trefasiga borstlösa motorer som kan driva strömmar upp till 15 A_rms som kan refereras av de slutliga tillämpningskonstruktionerna. I artikeln tar vi tillfället i akt att beskriva det arbetsflöde som gjorde det möjligt för STMicroelectronics att sätta EVALSTDRIVE101 i produktion, för att minska den insats som krävs för termisk optimering.

EVALSTDRIVE101

EVALSTDRIVE101 är baserad på STDRIVE101, en 75 V tredubbel gatedrivkrets med halvbrygga och skyddsfunktioner i en QFN-kapsling (Quad Flat No-Lead) på 4 x 4 mm, som passar perfekt för batteridrivna lösningar och sex STL110N10F7 effekt-MOSFET:ar som är arrangerade som tre halvbryggor. Celsius™ förenklade optimeringsprocessen för EVALSTDRIVE101 dramatiskt och åstadkommer en kompakt och tillförlitlig konstruktion på kort tid. Simuleringsresultaten, som diskuteras senare, användes för att iterativt justera komponentplaceringarna, förfina formerna på kortlager och banor, ändra lagertjockleken och lägga till eller ta bort lödöar för att få fram en produktionsklar version av växelriktaren. Den optimerade layouten EVALSTDRIVE101 består av fyra lager med 2 uns koppar, en bredd på 11,4 cm och en höjd på 9 cm som kan ge ström upp till 15 A_rms till belastningen med en batterispänning på 36 V. Ur ett termiskt perspektiv är den mest kritiska delen av EVALSTDRIVE101 området kring effektsteget som huvudsakligen består av effekt-MOSFET:ar, shuntmotstånd, keramiska avkopplingskondensatorer, elektrolytiska bulkkondensatorer och kontaktdon. Layouten för denna del krymptes kraftigt så att den endast täcker hälften av den totala brädan, dvs. 50 cm². I detta avseende var man särskilt noga med placeringen av MOSFET:arna eftersom dessa komponenter står för merparten av energiförlusterna vid växelriktarens drift. Kopparytan för alla MOSFET-drain anslutningar maximerades på det översta lagret och replikerades och förstorades om möjligt i andra lager för att förbättra värmeöverföringen mot den understa delen av kretskortets yta. På så sätt bidrar både kortets över- och undersida effektivt till värmeavledningen genom naturlig konvektion och strålning. Den elektriska och termiska anslutningen mellan de olika lagren sker genom hål med en diameter på 0,5 mm som underlättar luftflödet och förbättrar kylningen. Ett rutnät av lödöar är placerade precis under MOSFET:arnas exponerade lödpunkter, men diametern minskades till 0,3 mm för att förhindra att lödpasta flödar tillbaka upp i hålen.

Uppskattning av effektförluster

Figur 1: simulerad strömtäthet i det översta lagret. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Figur 2: simulerade temperaturer i stationärt tillstånd i det översta lagret. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Den termiska optimeringen av EVALSTDRIVE101 började med en uppskattning av den effekt som växelriktaren förbrukar under drift, vilket är en av ingångarna till den termiska simulatorn. Växelriktarens förluster kan delas upp i två beståndsdelar: de som beror på Joule-effekten i kretskortets banor och de som beror på elektroniska komponenter. Celsius™ kan på ett exakt sätt konstatera strömtäthet och förluster på kretskortet direkt genom att importera information om layouten, men förlusterna på grund av elektroniska komponenter måste beräknas. Även om en kretssimulator skulle kunna ge mycket exakta resultat beslutade man sig för att använda förenklade formler för att få en rimlig uppskattning av effektförlusterna, även om det rör sig om approximeringar. Det kan hända att tillverkare inte tillhandahåller elektriska modeller för komponenter och att det är svårt eller omöjligt att implementera dem från grunden på grund av brist på modelleringsdata, medan de formler som tillhandahålls endast kräver grundläggande information från datablad. Om man bortser från sekundära fenomen, så domineras effektförlusten i växelriktaren av förlusterna i shuntmotstånden P_sh och MOSFET:arna. Dessa förluster sker genom ledningsförluster P_cond, växling P_sw och diodförluster P_dt:

Den beräknade effektförlusten var 1,303 W för respektive MOSFET och 0,281 W för respektive shuntmotstånd.

Termiska simuleringar

Celsius™ gör det möjligt för konstruktörer att utföra simuleringar som inkluderar en elektrisk analys av systemet som visar strömtätheten i banor och lödöar, likväl som spänningsfall. Simuleringarna kräver att konstruktörerna har definierat intressanta strömslingor med hjälp av en kretsmodell för systemet. Den modell som används för varje halvbrygga i EVALSTDRIVE101 visas i figur 3. Den består av två konstantströmsgeneratorer som är placerade mellan anslutningarna för utspänning och strömförsörjning, och tre kortslutningar förbikopplar MOSFET:arna och shuntmotståndet. De två strömslingorna passar bra för verkliga medelströmmar i hela matningsskenan och jordplanet medan strömmen i utgångsbanan är något för stor, vilket är ett lämpligt driftstillstånd för att utvärdera konstruktionens stabilitet. Figur 4 och figur 1 visar spänningsfall och strömtäthet för EVALSTDRIVE101 med en ström på 15 A_rms. Spänningsfall i förhållande till jordreferensen visar på en särskilt optimerad layout med avsaknad av flaskhalsar och välbalanserade utgångar på 28 mV, 25 mV och 23 mV för U, V och W. Utgången U visar det högsta spänningsfallet medan W är det lägsta av de tre på grund av den kortare banlängden från strömkontakten. Strömmarna är väl fördelade i de olika banorna och har en genomsnittlig täthet på under 15 A/mm², vilket är det rekommenderade värdet för dimensionering av kraftbanor. Vissa röda områden är markerade i närheten av MOSFET:ar, shuntmotstånd och kontakter. Dessa representerar en högre strömtäthet på grund av att komponenternas anslutningar är mindre än de underliggande kraftbanorna. Den maximala strömtätheten ligger dock långt under gränsen på 50 A/mm², vilket realistiskt sett skulle kunna leda till tillförlitlighetsproblem.

Figur 3: Modellering av strömslingan. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Simulatorn gör det möjligt för konstruktörer att ställa in och köra simuleringar av stationära eller transienta förhållanden. Den förstnämnda ger en enda 2D-temperaturkarta för lager och komponenter, medan den sistnämnda ger kartor för varje simulerad tidpunkt och uppvärmningskurvor till priset av en längre simuleringstid. De inställningar som behövs för en stationär simulering kan tillämpas på en transientsimulering, men detta kräver dessutom att man definierar funktioner för komponenternas effektförluster. Transientsimuleringar är lämpliga för att definiera systemets olika driftstillstånd när kraftkällorna inte är aktiva samtidigt och för att bedöma den tid som krävs för att uppnå en jämn temperatur.

Figur 4: Simulerade spänningsfall i det inre lagret. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Simuleringarna i EVALSTDRIVE101 utfördes vid en omgivningstemperatur på 28 °C med värmeöverföringskoefficienten som gränsvillkor och termiska modeller med två resistorer för enheterna. Modellerna användes i stället för detaljerade termiska modeller som Delphi eftersom de är direkt tillgängliga i komponenternas datablad, även om detta innebär en viss försämring av simuleringens noggrannhet. Resultaten för EVALSTDRIVE101 i stationärt tillstånd visas i figur 4 och resultaten av transienta simuleringar i figur 5. Stegets effektfunktioner användes i transientsimuleringen för att aktivera alla MOSFET:ar och shuntmotstånd vid tid noll. Simuleringarna visade att området kring U-halvbryggan är den varmaste delen av kortet. Q1 MOSFET (hög sida) var 94,06 °C följt av Q4 MOSFET (låg sida), shuntmotstånden R24 och R23 med temperaturer på 93,99 °C, 85,34 °C respektive 85,58 °C.

Figur 5: Simulerade komponenter i U-halvbryggan som värms upp. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Konfiguration för termisk karakterisering

En experimentell karakterisering av den termiska prestandan hos EVALSTDRIVE101 utfördes efter produktionen. Istället för att använda en motor som är ansluten till en bromsbänk har en likvärdig testbänk använts för att underlätta genomförandet, vilket visas i figur 6. EVALSTDRIVE101 var ansluten till ett styrkort för att generera de nödvändiga drivsignalerna och placerades inuti en plexiglaslåda för att få systemkylning genom konvektion utan oavsiktligt luftflöde. Ovanför lådan placerades en värmekamera (modell TVS-200 från Nippon Avionics), som filmade kortet via ett hål i lådans lock. En trefaslast var ansluten till kortets utgångar och systemet matades med 36 V. Lasten består av tre spolar som är kopplade i en stjärnkonfiguration för att efterlikna motorn. Varje spole har en mättnadsström på 30 A, en induktans på 300 µH och ett parasitmotstånd på endast 25 mΩ. Det låga parasitmotståndet minskade Joule-värmeeffekten i spolarna avsevärt till förmån för en förlustfri kraftöverföring mellan kretskortet och belastningen. Tre sinusformade strömmar genererades i spolarna vid 15 A_rms genom att applicera lämpliga sinusformade spänningar via styrkortet. Med den här metoden arbetade effektsteget i ett driftstillstånd som låg mycket nära den slutliga motordriftstillämpningen, med fördelen att det inte krävdes någon reglerande slinga.

Figur 6: Konfiguration för termisk karakterisering. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Mätning av effektförlust

En faktor som påverkar simuleringsresultatens kvalitet är verkligen noggrannheten i den effekt som varje enhet i effektsteget avger. Dessa uppgifter erhölls med hjälp av förenklade formler för både MOSFET:ar och shuntmotstånd, vilket innebär att approximationer infördes. Mätningar gjordes på kortet för att utvärdera felet i kvantifieringen av den avledda effekten. Kortets effektförlust P_loss mättes som skillnaden mellan ingångseffekten P_in och den effekt som levereras till lasten vid de tre utgångarna P^U_ut, P^V_ut och P^W_ut. Mätningen utfördes med hjälp av ett oscilloskop (modell HDO6104-MS från Teledyne LeCroy) och genom att tillämpa korrekta matematiska funktioner på vågformerna: först beräknades spänningens och strömmens produkt punkt för punkt, sedan beräknades effekten som ett medelvärde av ett helt antal sinuscykler. Följande tabell visar mätresultaten vid omgivningstemperatur och i varmt tillstånd när effektsteget nådde stationärt läge. Det totala värdet av den effekt som kortet avleder, som tidigare uppskattats med hjälp av formler, anges också.

Resultaten visar en mycket god överensstämmelse mellan mätningar och uppskattningar, vilket är i linje med de approximationer som presenterats. Formlerna ger en överskattning av mätningen vid rumstemperatur på 1,5 %, vilket ger en underskattning på ungefär 3,9 % jämfört med data vid varma förhållanden. Detta resultat är i linje med variabiliteten i samband med MOSFET:arnas och shuntmotståndens tillslagsresistans, eftersom nominella värden användes i beräkningarna. Som väntat var alla effektvärden högre vid varm temperatur än vid rumstemperatur på grund av att spolarnas och MOSFET:arnas resistans ökar med temperaturen. Uppgifterna visar även en skillnad mellan de uppmätta effekterna för de tre utgångarna. Denna effekt beror på obalansen i trefasbelastningen, på grund av något olika värden på L och R från spole till spole. Effekten spelar dock en marginell roll eftersom den observerade felinställningen är mindre än den mellan mätningarna och uppskattningen.

Temperaturresultat

Generering av sinusformade strömmar i belastningen och tagning av värmebilder med värmekameran aktiverades samtidigt. Värmekameran var tidigare konfigurerad för att samla in värmebilder var 15:e sekund och att inkludera tre temperaturmarkörer för komponenterna Q1, Q4 och R23 i varje bild. Systemet förblev aktivt tills det stabila tillståndet uppnåddes efter cirka 25 minuter. Omgivningstemperaturen inuti lådan i slutet av testet var ungefär 28 °C. Figur 7 visar kortets uppvärmningsövergång som härrör från temperaturmarkörer och figur 8 visar kortets slutliga temperaturer. Mätningen visade att MOSFET:en Q1 var den varmaste komponenten på hela kortet med en temperatur på 93,8 °C, medan MOSFET:en Q4 och motståndet R23 nådde 91,7 °C respektive 82,6 °C. Som tidigare diskuterats simulerade Celsius™ temperaturen i MOSFET:en Q1 till 94,06 °C, temperaturen i MOSFET:en Q4 till 93,99 °C och temperaturen i motståndet R23 till 85,58 °C, vilket ger en mycket god överensstämmelse med mätningarna. Samma upplägg kan även konstateras för tidskonstanten för värmeövergången, vilket enkelt kan ses i en direkt jämförelse mellan figur 5 och figur 7.

Figur 7: Uppmätta komponenter i U-halvbryggan som värms upp. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Figur 8: Uppmätta temperaturer i stationärt tillstånd i det översta lagret. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Sammanfattning

STMicroelectronics släppte nyligen utvärderingskortet EVALSTDRIVE101 som konstruerats med hjälp av Cadence® Celsius™ Thermal Solver. Kortet är avsett för styrning av borstlösa trefasmotorer med hög effekt och låg spänning, vilket krävs i batteridrivna tillämpningar. Den innehåller ett kompakt effektsteg 50 cm² som kan ge en ström på över 15 A_rms till motorn utan kylfläns eller extra kylning. Med hjälp av olika simuleringsfunktioner som är inbyggda i värmesimulatorn var det inte bara möjligt att förutse kretskortets temperaturprofil och dess varma punkter på komponenterna i effektsteget, utan också att få en detaljerad beskrivning av spänningsfall och strömtäthet längs strömbanor, vilket kan vara svårt eller omöjligt att få fram genom experimentella mätningar. Simuleringsresultaten möjliggjorde en snabb optimering av kretskortslayouten, justering av placeringen och korrigerade svagheter i layouten från ett tidigt skede i konstruktionen till färdig konstruktion. En termisk karakterisering med en infraröd kamera visade att det fanns en god överensstämmelse mellan de simulerade och uppmätta stationära temperaturerna samt den transienta temperaturprofilen, vilket bevisar kortets enastående prestanda och effektiviteten hos den termiska simulatorn när det gäller att hjälpa konstruktörer att sänka konstruktionsmarginalen och uppnå en snabb marknadsintroduktion.