Vysoce výkonná invertorová deska snímající teplotu pro aplikace napájené bateriemi

V dnešní době mohou řešení poháněná motorem a napájená bateriemi běžně dodávat stovky wattů energie při velmi nízkém provozním napětí. V takových aplikacích je správné řízení proudů protékajících elektronikou motoru považováno za nezbytné pro zajištění celkové účinnosti a spolehlivosti systému. Proudy motoru mohou skutečně překročit desítky ampér, což vede ke zvýšené ztrátě výkonu uvnitř invertoru. Větší výkon součástí invertoru má za následek vyšší teploty, snížení výkonu a dokonce i náhlé přerušení, pokud dojde k překročení maximální povolené hodnoty. Optimalizace tepelného výkonu v kombinaci s kompaktním tvarovým faktorem je klíčovým aspektem fáze návrhu invertoru, který může v případě, že není správně řešen, skrývat úskalí. Přístupem k řešení tohoto problému byla výroba prototypů postupně zdokonalovaných pomocí ověřování v terénu. Vyhodnocování elektrických a tepelných vlastností však bylo zcela odděleno a během návrhu nebyly nikdy řešeny účinky elektro-tepelné vazby. To obvykle vedlo k několika iteracím a dlouhé době do uvedení na trh. V současné době je k dispozici efektivnější alternativní metoda pro optimalizaci elektrotepelného výkonu systémů řízení motoru s využitím výhod moderních simulačních technologií. Cadence® Celsius™ Thermal Solver, přední průmyslový elektro-tepelný kosimulační software pro systémovou analýzu, poskytuje během několika minut globální a přesné posouzení výkonu návrhu z elektrického i tepelného hlediska. Společnost STMicroelectronics, přední výrobce integrovaných obvodů pro řízení průmyslových motorů, vyladila svou vyhodnocovací desku EVALSTDRIVE101, která software Celsius™ využívá. Výsledkem je invertor pro třífázové bezkartáčové motory schopný řídit proud až 15 A_rms, na který se mohou odkazovat konstruktéři konečných aplikací. V tomto článku využíváme příležitosti popsat pracovní postup, který umožnil společnosti STMicroelectronics uvést do výroby model EVALSTDRIVE101, čímž se snížilo úsilí potřebné pro tepelnou optimalizaci.

Vyhodnocovací deska EVALSTDRIVE101

Deska EVALSTDRIVE101 je založena na 75V trojitém polomůstkovém hradlovém budiči STDRIVE101 s ochranou poskytovanou pouzdrem QFN (Quad Flat No-lead) 4 × 4 mm. Perfektně se hodí pro řešení napájená bateriemi a šest výkonových tranzistorů MOSFET STL110N10F7 uspořádaných do tří polomůstků. Software Celsius™ dramaticky zjednodušil proces optimalizace pomocí desky EVALSTDRIVE101 a v krátkém časovém rámci pomohl dosáhnout kompaktního a spolehlivého návrhu. Výsledky simulace, jak bude probráno později, byly použity k opakovanému přizpůsobení umístění součástí, zpřesnění tvarů rovin a spojů, úpravám tloušťky vrstev a přidání nebo odstranění průchodů, aby se získala verze invertoru připravená na výrobu. Optimalizované rozložení desky EVALSTDRIVE101 se skládá ze čtyř vrstev s 57 g (2 uncemi) mědi, šířkou 11,4 cm a výškou 9 cm, které mohou dodávat proud až 15 A_rms do zátěže pomocí napětí baterie 36 V. Z tepelného hlediska je nejkritičtější částí desky EVALSTDRIVE101 oblast výkonového stupně, která zahrnuje především výkonové tranzistory MOSFET, bočníkové rezistory, keramické obtokové kondenzátory, elektrolytické skupinové kondenzátory a konektory. Dispozice této části byla výrazně zmenšena, aby pokryla pouze polovinu celkové velikosti desky, tj. 50 cm². V tomto ohledu byla věnována zvláštní pozornost umístění a směrování tranzistorů MOSFET, protože tyto komponenty jsou zodpovědné za většinu ztrát energie během provozu invertoru. Měděná plocha všech vývodů MOSFET byla v horní vrstvě maximalizována a tam, kde to bylo možné, replikována a zvětšena pro další vrstvy, aby se zlepšil přenos tepla směrem ke spodní části povrchu desky. Tímto způsobem přispívá účinně jak horní, tak spodní povrch desky k odvodu tepla přirozenou konvekcí a vyzařováním. Elektrické a tepelné spojení mezi různými vrstvami bylo zajištěno průchody o průměru 0,5 mm, které usnadňují proudění vzduchu a zlepšují chlazení. Mřížka průchodů je umístěna přímo pod exponovanými podložkami tranzistorů MOSFET, ale jejich průměr byl zmenšen na 0,3 mm, aby se zabránilo přetečení pájecí pasty v otvorech.

Odhad výkonových ztrát

Obrázek 1: Simulovaná hustota proudu horní vrstvy. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Obrázek 2: Simulované teploty horní vrstvy v ustáleném stavu. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Tepelná optimalizace desky EVALSTDRIVE101 začala odhadem ztrátového výkonu invertoru během jeho provozu jako jednoho vstupu tepelného simulátoru. Ztráty invertoru lze rozdělit na dva příspěvky: ztráty způsobené Jouleovým efektem ve spojích desky a ztráty způsobené elektronickými součástkami. Zatímco software Celsius™ dokáže přesně určit hustoty proudu a ztráty na desce přímo importem dat rozložení, ztráty způsobené elektronickými součástkami je nutné vypočítat. Ačkoli simulátor obvodu mohl poskytnout velmi přesné výsledky, bylo k získání rozumného odhadu ztrát výkonu, i když s aproximací, rozhodnuto použít zjednodušené vzorce. Elektrické modely součástek nemusí být od výrobců dostupné a je obtížné nebo nemožné je implementovat od začátku kvůli nedostatku modelovacích dat, zatímco poskytnuté vzorce vyžadují pouze základní informace z katalogových listů. Pomineme-li sekundární jevy, jsou výkonové ztráty invertoru řízeny ztrátami uvnitř bočníkových rezistorů P_sh a tranzistorů MOSFET. Tyto ztráty jsou způsobeny vedením P_cond, přepínáním P_sw a poklesem na diodě P_dt:

Odhadovaná ztráta výkonu byla 1,303 W pro jednotlivé tranzistory MOSFET a 0,281 W pro jednotlivé bočníkové rezistory.

Tepelné simulace

Software Celsius™ umožňuje konstruktérům provádět simulace, které zahrnují elektrickou analýzu systému ukazující proudové hustoty ve spojích a průchodech, stejně jako úbytky napětí. Tyto simulace vyžadují, aby konstruktéři definovali příslušné proudové smyčky pomocí modelu obvodu pro systém. Model použitý pro jednotlivé polomůstky desky EVALSTDRIVE101 je uveden na obrázku 3. Skládá se ze dvou generátorů konstantního proudu umístěných mezi výstupním a napájecím konektorem a tří zkratů obcházejících tranzistory MOSFET a bočníkový odpor. Dvě proudové smyčky poskytují dobré přizpůsobení se skutečným průměrným proudům v napájecí sběrnici a zemnicí rovině, zatímco proud výstupní cesty je mírně předimenzován, což je vhodná provozní podmínka pro vyhodnocení robustnosti návrhu. Na obrázku 4 a na obrázku 1 jsou ukázány úbytky napětí a proudová hustota desky EVALSTDRIVE101 s proudem 15 A_rms. Úbytky napětí s ohledem na příslušné uzemnění zvýrazňují zvláště optimalizované uspořádání s absencí problémových míst a dobře vyvážené výstupy při 28 mV, 25 mV a 23 mV pro U, V a W. Výstup U vykazuje nejvyšší úbytek napětí, zatímco výstup W nejnižší ze tří kvůli kratší délce cesty od napájecího konektoru. Proudy jsou v různých cestách dobře distribuovány a mají průměrnou hustotu pod 15 A/mm², což je doporučená hodnota pro velikost napájecího spoje. V blízkosti tranzistorů MOSFET, bočníkových rezistorů a konektorů jsou zvýrazněny červené oblasti. Ty představují vyšší proudovou hustotu v důsledku toho, že svorky součástek jsou menší než základní napájecí spoje. Maximální proudová hustota je však hluboko pod hranicí 50 A/mm², což by mohlo reálně vést k problémům se spolehlivostí.

Obrázek 3: Modelování proudové smyčky. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Simulátor umožňuje konstruktérům nastavit a spustit simulace v ustáleném nebo přechodovém stavu. Výsledkem první z nich je jedna 2D teplotní mapa pro vrstvy a součástky, zatímco druhá poskytuje mapy pro jednotlivé simulované časové okamžiky a křivky zahřívání za cenu delší doby simulace. Nastavení potřebná pro simulaci v ustáleném stavu lze aplikovat na simulaci přechodových jevů, ale vyžaduje to navíc definici funkcí ztrát výkonu pro součástky. Simulace přechodových jevů jsou vhodné při definování různých provozních stavů systému s napájecími zdroji, které nejsou aktivní současně, a pro posouzení doby potřebné k dosažení ustálené teploty.

Obrázek 4: Simulované úbytky napětí vnitřní vrstvy. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Simulace desky EVALSTDRIVE101 byly provedeny při okolní teplotě 28 °C s koeficientem přenosu tepla jako okrajovými podmínkami a tepelnými modely dvou rezistorů pro zařízení. Tyto modely byly použity místo podrobných tepelných modelů, jako je Delphi, protože jsou přímo dostupné v katalogových listech součástek, i když to mírně snižuje přesnost simulace. Výsledky ustáleného stavu pro desku EVALSTDRIVE101 jsou uvedeny na obrázku 4 a výsledky simulace přechodových jevů jsou uvedeny na obrázku 5. V simulaci přechodových jevů byly použity funkce krokového výkonu, aby byly všechny tranzistory MOSFET a bočníkové rezistory aktivovány v čase nula. Jako nejteplejší místo desky identifikovaly simulace oblast polomůstku U. Tranzistor MOSFET Q1 (nahoře) měl 94,06 °C, následoval tranzistor MOSFET Q4 (dole), a příslušně v pořadí bočníkové rezistory R24 a R23 s teplotami 93,99 °C, 85,34 °C a 85,58 °C.

Obrázek 5: Simulované zahřívání součástek polomůstku U. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Nastavení tepelné charakterizace

Po výrobě byla provedena experimentální charakterizace tepelného výkonu desky EVALSTDRIVE101. Namísto použití motoru připojeného k brzdové stolici byla pro snadnou implementaci zvažována ekvivalentní zkušební stolice, jak je znázorněno na obrázku 6. Deska EVALSTDRIVE101 byla připojena k řídicí desce pro generování potřebných řídicích signálů a umístěna do boxu z plexiskla, aby bylo zajištěno chlazení systému konvekcí bez náhodného proudění vzduchu. Nad boxem byla umístěna jedna termovizní kamera (model TVS-200 od společnosti Nippon Avionics), která snímala desku otvorem ve víku boxu. K výstupům desky byla připojena třífázová zátěž a systém byl napájen napětím 36 V. Zátěž se skládá ze tří cívek zapojených do hvězdicové konfigurace k emulaci motoru. Jednotlivé cívky mají saturační proud 30 A, indukčnost 300 µH a parazitní odpor pouze 25 mΩ. Nízký parazitní odpor značně redukoval Jouleův efekt zahřívání uvnitř cívek ve prospěch bezztrátového přenosu energie mezi deskou a zátěží. Aplikací správného sinusového napětí přes řídicí desku byly uvnitř cívek generovány tři sinusové proudy o 15 A_rms. S touto metodou fungoval výkonový stupeň v provozním stavu velmi blízkém konečné aplikaci pro řízení motoru s výhodou, že nevyžaduje řídicí smyčku.

Obrázek 6: Nastavení tepelné charakterizace. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Měření ztráty výkonu

Jedním z faktorů ovlivňujících kvalitu výsledků simulace je jistě přesnost údajů o výkonu rozptýleném jednotlivými zařízeními výkonového stupně. Tato data byla získána pomocí zjednodušených vzorců pro tranzistory MOSFET a bočníkové rezistory, takže byly zavedeny aproximace. Na desce bylo provedeno měření pro vyhodnocení chyby při kvantifikaci rozptýleného výkonu. Ztráta výkonu desky P_loss byla měřena jako rozdíl mezi příkonem P_in a výkonem dodávaným do zátěže na třech výstupech P^U_out, P^V_out a P^W_out. Měření bylo provedeno pomocí osciloskopu (model HDO6104-MS od společnosti Teledyne LeCroy) a aplikováním příslušných matematických funkcí na křivky průběhu: Nejprve byl bod po bodu vypočítán součin napětí a proudu, poté byl výkon zprůměrován přes celé číslo sinusových cyklů. V následující tabulce jsou uvedeny výsledky měření při okolní teplotě a v horkém stavu, když výkonový stupeň dosáhl ustáleného stavu. Uvedena je také celková hodnota výkonu rozptýleného deskou, která byla dříve odhadnuta pomocí vzorců.

Výsledky ukazují na velmi dobrou shodu mezi měřeními a odhady, což je v souladu se zavedenými aproximacemi. Vzorce jsou nadhodnoceny měřením při pokojové teplotě o 1,5 %, což představuje podhodnocení zhruba 3,9 % ve srovnání s údaji v horkém stavu. Tento výsledek je v souladu s variabilitou spojenou s odporem tranzistorů MOSFET a bočníkových rezistorů při zapnutí, protože při výpočtech byly použity nominální hodnoty. Podle očekávání byly všechny hodnoty výkonu vyšší za horka než za pokojové teploty kvůli nárůstu odporů cívek a tranzistorů MOSFET s teplotou. Data také ukazují rozdíl mezi naměřenými výkony pro tři výstupy. Tento efekt je způsoben nevyvážeností třífázové zátěže kvůli mírně odlišným hodnotám L a R mezi cívkami. Tento efekt však hraje okrajovou roli, protože pozorovaný nesoulad je nižší než odchylka mezi měřením a odhadem.

Teplotní výsledky

Současně bylo aktivováno generování sinusových proudů v zátěži a pořizování termovizních snímků termovizní kamerou. Termovizní kamera byla předtím nakonfigurována tak, aby shromažďovala termovizní snímky každých 15 sekund a do každého snímání zahrnula tři teplotní značky pro součástky Q1, Q4 a R23. Systém zůstal aktivní, dokud nebylo po přibližně 25 minutách dosaženo ustáleného stavu. Okolní teplota zjištěná uvnitř boxu byla na konci testu zhruba 28 °C. Na obrázku 7 je ukázán přechodový jev zahřívání desky, který byl odvozen z teplotních značek, a na obrázku 8 jsou uvedeny konečné teploty na desce. Měření ukázalo, že nejteplejší součástkou na celé desce byl tranzistor MOSFET Q1 s teplotou 93,8 °C, zatímco tranzistor MOSFET Q4 a rezistor R23 dosáhly 91,7 °C a 82,6 °C. Jak již bylo zmíněno, software Celsius™ simuloval teplotu tranzistoru MOSFET Q1 při 94,06 °C, teplotu tranzistoru MOSFET Q4 při 93,99 °C a teplotu R23 při 85,58 °C, což velmi dobře odpovídalo měření. Stejnou shodu lze nalézt také v časové konstantě přechodového jevu ohřívání, jak lze snadno vidět z přímého srovnání obrázku 5 s obrázkem 7.

Obrázek 7: Měřené zahřívání součástek polomůstku U. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Obrázek 8: Měřené teploty horní vrstvy v ustáleném stavu. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Shrnutí

Společnost STMicroelectronics nedávno uvedla na trh vyhodnocovací desku EVALSTDRIVE101, která byla navržena k využití se softwarem Cadence® Celsius™ Thermal Solver. Deska se zaměřuje na vysokovýkonné a nízkonapěťové třífázové bezkomutátorové řízení motoru, které potřebují aplikace napájené bateriemi. Obsahuje kompaktní výkonový stupeň 50 cm², který může dodávat proud přes 15 A_rms do motoru bez chladiče nebo přídavného chlazení. Pomocí různých simulačních funkcí zabudovaných do tepelného simulátoru bylo možné nejen předvídat teplotní profil desky a jejích horkých míst na součástkách výkonového stupně, ale také mít podrobný popis úbytků napětí a proudové hustoty podél napájecích spojů, jejichž získání experimentálním měřením by mohlo být složité nebo vůbec nemožné. Simulované výstupy umožnily rychlou optimalizaci rozvržení desky, úpravu umístění a nápravu slabých stránek rozvržení od počátku návrhu až po konec vývoje. Tepelná charakterizace s infračervenou kamerou ukázala dobrou shodu mezi simulovanými a naměřenými teplotami v ustáleném stavu a také profilem přechodové teploty, což prokázalo vynikající výkon desky a účinnost tepelného simulátoru při pomoci konstruktérům snížit rozsah návrhu a dosáhnout rychlé doby do uvedení na trh.