Jak optimalizovat tepelný výkon motoru BLDC v náročných prostředích

Bezkartáčové stejnosměrné motory („brushless direct current“, BLDC) se stále častěji používají v náročných tepelných podmínkách v automobilovém prostředí, jako jsou elektrická vozidla (EV), a v průmyslových aplikacích, jako je robotika a výrobní zařízení. Pro konstruktéry je efektivní regulace tepla klíčovým faktorem pro zajištění spolehlivého provozu motorových pohonů BLDC. Za tímto účelem musí věnovat zvláštní pozornost výkonovým tranzistorům MOSFET a integrovaným obvodům hradlového budiče s ohledem na spínací frekvenci, účinnost, rozsah provozních teplot a tvarový faktor a zároveň zajistit, aby v případě potřeby splňovaly kvalifikační požadavky, jako je standard AEC-Q101, Proces schvalování dílů do sériové výroby („Production Part Approval Process“, PPAP), a standard Mezinárodní pracovní skupiny pro automobilový průmysl („International Automotive Task Force“, IATF) 16949:2016.

Kromě toho by hradlové budiče měly být kompatibilní se standardní logikou tranzistor-tranzistor („transistor-transistor-logic“, TTL) a úrovněmi napětí CMOS, aby se zjednodušilo propojení s mikrokontroléry („microcontroller unit“, MCU). Musí být také schopny chránit tranzistory MOSFET před různými poruchovými stavy a musí mít dobře přizpůsobená zpoždění šíření pro podporu efektivního vysokofrekvenčního provozu.

Ke splnění těchto potřeb mohou konstruktéři spárovat tranzistory MOSFET se dvěma kanály typu N v režimu obohacování s vysokofrekvenčními integrovanými obvody hradlového budiče, a vytvářet tak kompaktní a efektivní řešení.

Na začátku tohoto článku je přehled úvah o regulaci tepla při navrhování motorových pohonů BLDC a poté jsou v něm stručně shrnuty požadavky norem AEC-Q101, PPAP a IATF 16949:2016. Následně jsou v něm uvedeny příklady vysoce výkonových tranzistorů MOSFET se dvěma kanály typu N v režimu obohacování a odpovídajících integrovaných obvodů hradlového budiče od společnosti Diodes, Inc., které jsou vhodné pro automobilové a průmyslové systémy motorů BLDC. Článek uzavírá diskuze o uspořádání desek plošných spojů pro obvody pohonů BLDC, včetně minimalizace elektromagnetického rušení („electromagnetic interference“, EMI) a optimalizace tepelného výkonu.

Motory BLDC a komutace

Klíčový rozdíl mezi motory BLDC a kartáčovými motory je v tom, že k dosažení komutace je u motoru BLDC potřeba řízení MCU. To vyžaduje schopnost detekovat polohu otáčení rotoru. Detekce polohy může být prováděna pomocí rezistorů se snímáním proudu nebo senzorů s Hallovým efektem. Běžný, přesný a účinný způsob implementace snímání polohy je umístění senzorů s Hallovým efektem uvnitř motoru – oddělených o 120°.

Metoda zahrnuje použití můstkové konfigurace šesti výkonových tranzistorů MOSFET pro pohon třífázového motoru BLDC. Senzory s Hallovým efektem produkují digitální signály, které MCU používá k určení polohy motoru, a poté produkují řídicí signály pohonu ke spínání tranzistorů MOSFET v požadovaném pořadí a požadovanou rychlostí pro řízení chodu motoru (obrázek 1). Klíčovou výhodou použití motorů BLDC je jejich ovladatelnost.

Obrázek 1: U třífázového motoru BLDC poskytují tři senzory s Hallovým efektem informace o poloze potřebné k řízení spínání šesti výkonových tranzistorů MOSFET. (Zdroj obrázku: společnost Diodes, Inc.)

Řešení zpoždění šíření

Řídicí signály produkované MCU jsou příliš slabé na to, aby přímo řídily výkonové tranzistory MOSFET, proto se k zesílení signálů MCU používá integrovaný obvod hradlového budiče. Zavedení integrovaného obvodu hradlového budiče však přináší také určité zpoždění šíření řídicích signálů. Kromě toho mají oba kanály v polomůstkovém hradlovém budiči mírně odlišné doby odezvy, což vede ke zkreslení zpoždění šíření. V nejhorším případě lze spínač high-side zapnout ještě před úplným vypnutím spínače low-side, což vede k tomu, že oba spínače vedou současně. Pokud to nastane, dojde ke zkratu a pohon motoru nebo může být motor poškozen nebo zničen.

Existuje několik způsobů, jak problémy se zpožděním šíření řešit. Jeden z nich zahrnuje použití rychlého MCU, který může reagovat dostatečně rychle, aby zpoždění šíření kompenzoval. S tímto přístupem jsou spojeny dva potenciální problémy. Jeden z nich je, že je vyžadován dražší MCU, a druhý spočívá v tom, že MCU zavádí do procesu spínání pásmo mrtvé doby, aby bylo zajištěno, že oba spínače nebudou nikdy sepnuty současně. Tato mrtvá doba zpožďuje celkový proces spínání.

Ve většině aplikací se upřednostňuje použití hradlového budiče s krátkým zpožděním šíření. K dalšímu zvýšení spolehlivosti systému obsahují vysoce výkonné integrované obvody hradlového budiče také logiku mezivodičové ochrany (obrázek 2).

Obrázek 2: Vysoce výkonné integrované obvody hradlového budiče zahrnují kromě minimálních zpoždění šíření i logiku mezivodičové ochrany (vlevo uprostřed). (Zdroj obrázku: společnost Diodes, Inc.)

Udržování v chladu

Pro spolehlivý provoz motorů BLDC je zásadní bezpečné a přesné řízení výkonových tranzistorů MOSFET stejně jako jejich udržování v chladu. Dvě důležité specifikace související s regulací tepla pro výkonové polovodiče jsou tepelný odpor mezi přechodem a pouzdrem (R_θJC) a tepelný odpor mezi přechodem a okolím (R_θJA). Oba se vyjadřují ve stupních Celsia na watt (°C/W). Odpor R_θJC je specifický pro dané zařízení a pouzdro. Je to pevná hodnota, která závisí na faktorech, jako je velikost matrice, materiál připojení matrice a tepelné vlastnosti pouzdra.

R_θJA je širší pojem: Zahrnuje R_θJC plus teplotní koeficienty pájeného spoje a chladiče. Pro výkonové tranzistory MOSFET může být R_θJA 10× větší než R_θJC. Klíčovým faktorem je udržování teploty pouzdra tranzistoru MOSFET (T_C) pod kontrolou (obrázek 3). To znamená, že při vývoji řešení regulace tepla pro výkonové tranzistory MOSFET jsou velmi důležité faktory, jako je rozložení desky a chladič. Téměř veškeré teplo generované v tranzistoru MOSFET bude odváděno přes měděnou podložku/chladič na desce plošných spojů.

Obrázek 3: R_θJA je klíčovou metrikou rozptylu tepla a může být 10× větší než R_θJC. (Zdroj obrázku: společnost Diodes, Inc.)

Automobilové normy

K tomu, aby zařízení bylo možné použít v automobilové aplikaci, musí splňovat také jeden nebo více standardů oboru, včetně norem AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP a IATF 16949:2016. AEC-Q100 a AEC-Q101 jsou normy spolehlivosti pro polovodičová zařízení používaná v automobilových aplikacích. Norma PAPP se týká dokumentace a sledování a norma IATF 16949:2016 je normou kvality založenou na standardu ISO 9001. Konkrétněji:

AEC-Q100 je zátěžový test založený na mechanismu poruchy pro integrované obvody v pouzdru a zahrnuje čtyři rozsahy provozních teplot okolního prostředí nebo stupňů:

• Stupeň 0: −40 °C až +150 °C
• Stupeň 1: −40 °C až +125 °C
• Stupeň 2: −40 °C až +105 °C
• Stupeň 3: −40 °C až +85 °C

AEC-Q101 definuje minimální požadavky a podmínky řízené zátěžovým testem pro diskrétní zařízení, jako jsou výkonové tranzistory MOSFET, a specifikuje provoz od −40 °C do +125 °C.

PPAP je 18krokový schvalovací proces pro nové nebo revidované součástky. Je navržen tak, aby zajistil, že součástky budou trvale splňovat stanovené požadavky. PPAP má pět standardních úrovní podání a požadavky jsou předmětem jednání mezi dodavatelem a zákazníkem.

IATF 16949:2016 je systém kvality pro automobilový průmysl založený na normě ISO 9001 a specifických požadavcích zákazníků z automobilového sektoru. Tato norma vyžaduje certifikaci auditorem 3. strany.

Duální výkonové tranzistory MOSFET

K implementaci účinného motorového pohonu BLDC mohou konstruktéři použít tranzistor FET se dvěma kanály typu N v režimu obohacování, jako je model DMTH6010LPD-13 společnosti Diodes Inc. pro průmyslové aplikace a model DMTH6010LPDQ-13, který je kvalifikován podle normy AEC-Q101 pro automobilové aplikace. Obě součástky jsou podporovány normou PPAP a vyráběny v zařízeních certifikovaných podle normy IATF 16949. Tyto tranzistory MOSFET se vyznačují nízkou vstupní kapacitou (C_iss) 2 615 pF pro podporu vysokých rychlostí spínání a nízkým odporem (R_DS(on)) 11 mΩ pro vysokou účinnost konverze, díky čemuž jsou vhodné pro vysokofrekvenční aplikace s vysokou účinností. Zařízení mají 10voltový hradlový budič, jsou dimenzována pro provoz do +175 °C a jsou dodávána v pouzdru PowerDI5060-8 5 mm × 6 mm s velkou odváděcí podložkou pro vysoký odvod tepla (obrázek 4). Tepelné specifikace zahrnují:

• R_θJA 53 °C/W v ustáleném stavu se zařízením namontovaným na desce plošných spojů FR-4 s 57 g (2 uncemi) mědi a s tepelnými průchody do spodní vrstvy, která obsahuje 2,54cm (1palcovou) čtvercovou měděnou destičku
• R_θJC 4 °C/W
• Dimenzováno do +175 °C

Obrázek 4: Modely DMTH6010LPD-13 a DMTH6010LPDQ-13 využívají k podpoře vysokého odvodu tepla velkou odváděcí podložku svého pouzdra PowerDI5060-8. (Zdroj obrázku: společnost Diodes, Inc.)

Hradlový budič duálního tranzistoru MOSFET

K pohonu duálních výkonových tranzistorů MOSFET mohou konstruktéři použít jeden ze dvou polomůstkových hradlových budičů: model DGD05473FN-7 pro průmyslové aplikace nebo model DGD05473FNQ-7 s certifikací AEC-Q100 pro automobilové systémy. Tyto budiče jsou také podporovány normou PPAP a vyráběny v zařízeních certifikovaných podle normy IATF 16949. Ke zjednodušení připojení k MCU jsou vstupy kompatibilní s úrovněmi TTL a CMOS (až do 3,3 V) a plovoucí high-side budič je dimenzován na 50 V. Ochranné funkce zahrnují UVLO a logiku mezivodičové ochrany (viz znovu obrázek 2). Integrovaná dioda bootstrap pomáhá minimalizovat prostor na desce plošných spojů. Mezi další funkce patří:

• Zpoždění šíření 20 ns
• Maximální přizpůsobení zpoždění 5 ns
• Maximální dodávaný budicí proud 1,5 A a odebíraný budicí proud 2,5 A
• Pohotovostní proud nižší než 1 µA
• Rozsah provozních teplot třídy 1 normy AEC-Q100 od −40 °C do +125 °C

Aspekty týkající se tepla a EMI

Osvědčené postupy rozvržení desky využívající výše uvedené tranzistory MOSFET a integrované obvody budičů by měly kombinovat kompaktní provedení s co největšími měděnými plochami pro tranzistory MOSFET, aby byl zajištěn nejlepší možný odvod tepla. Kompaktní provedení minimalizuje plochy smyček, zatímco krátké délky vedení minimalizují EMI a snižují obavy z elektromagnetické kompatibility („electromagnetic compatibility“, EMC).

K dalšímu zlepšení EMC a tepelného výkonu by měla být na desce plošných spojů zahrnuta pevná vnitřní zemnicí rovina a přídavná napájecí rovina na spodní straně. Kromě toho by měla být použita samostatná vnitřní vrstva pro signální vedení.

Zásadní vliv na tepelný výkon má pouzdro tranzistoru MOSFET. Podíváme-li se na tři možnosti – PowerDI5060-8, PowerDI3333-8 3 mm × 3 mm a DFN2020-6 2 mm × 2 mm, zjistíme, že pouzdro PowerDI5060 s největší odtokovou podložkou podporuje nejvyšší rozptylový výkon a dosahuje 2,12 wattu (obrázek 5).

Obrázek 5: Pouzdro PowerDI5060 (modrá čára) rozptyluje více energie ve srovnání se dvěma menšími pouzdry. (Zdroj obrázku: společnost Diodes, Inc.)

Závěr

Duální výkonové tranzistory MOSFET v tepelně účinných pouzdrech lze kombinovat s odpovídajícími integrovanými obvody hradlového budiče a vytvářet vysoce výkonné a kompaktní motorové pohony BLDC pro automobilové a průmyslové aplikace. Tato řešení mohou splňovat normy AEC, PPAP a IATF pro spolehlivost, dokumentaci a kvalitu. Pomocí osvědčených postupů pro rozvržení desek plošných spojů mohou být tato zařízení použita k tomu, aby pomohla konstruktérům dosáhnout nejlepšího tepelného výkonu a výkonu EMC pro jejich implementaci motorového pohonu BLDC.

Doporučeno k přečtení

1. Použití bezsenzorové vektorové regulace u bezkartáčových stejnosměrných motorů (BLDC) a synchronních motorů s permanentním magnetem (PMS) k zajištění přesného řízení pohybu
2. Jaké funkce kodéru zvyšují odolnost? Možná polovodičová elektronika?
3. Jak vybrat a používat úhlové senzory pro posilovač řízení, motory a robotiku