Sådan optimeres BLDC-motordriverens termiske ydeevne i udfordrende miljøer

Børsteløse DC-motorer (BLDC-motorer) anvendes i stigende grad under krævende termiske forhold i bilmiljøer som f.eks. elektriske køretøjer og i industrielle applikationer som f.eks. robotter og produktionsudstyr. For designere er effektiv termisk styring en vigtig faktor for at sikre pålidelig drift af BLDC-motordriver. Med henblik herpå skal de være særligt opmærksomme på power MOSFET'er og gate-driver IC'er med hensyn til koblingsfrekvens, effektivitet, driftstemperaturområde og formfaktor, samtidig med at de skal sikre, at de opfylder kvalifikationer som AEC-Q101, Production Part Approval Process (PPAP) og International Automotive Task Force (IATF) standard 16949:2016, hvor det er relevant.

Desuden skal gate-driverne være kompatible med standard TTL- (transistor-transistor-logisk) og CMOS-spændingsniveauer for at forenkle grænsefladen til mikrocontrollere (MCU'er). De skal også være i stand til at beskytte MOSFET'erne mod forskellige fejltilstande, og de skal have veltilpassede spredningsforsinkelser for at understøtte effektiv højfrekvensdrift.

For at opfylde disse behov kan designere parre dobbelt N-kanals Enhancement Mode MOSFET'er med højfrekvente gate-driver IC'er for at fremstille kompakte, effektive løsninger.

Denne artikel begynder med en oversigt over overvejelser om termisk styring ved design af BLDC-motordriver og opsummerer derefter kort kravene i AEC-Q101, PPAP og IATF 16949:2016. Derefter præsenteres der eksempler på højtydende dobbelt N-kanals MOSFET'er i forbedringstilstand og matchende gate driver IC'er fra Diodes, Inc., som er velegnede til BLDC-motordriverssystemer til biler og industrielt brug. Artiklen afsluttes med en diskussion af overvejelser om layout af printkort til BLDC-drevkredsløb, herunder minimering af elektromagnetisk interferens (EMI) og optimering af termisk ydeevne.

BLDC'er og kommutation

Den vigtigste forskel mellem BLDC'er og børsteformede motorer er, at der er behov for MCU-styring med BLDC'er for at opnå kommutation. Dette kræver, at det er muligt at registrere rotorens rotationsposition. Positionsbestemmelse kan man opnå ved hjælp af strømfølsomme modstande eller Hall-effekt sensorer. Placering af Hall-effekt sensorer inde i motoren - adskilt med 120° er en almindelig, præcis og effektiv måde at implementere positionsaflæsning på.

Metoden indebærer anvendelse af en bro-konfiguration af seks power MOSFET'er til at drive en trefaset BLDC-motor. Hall-effekt sensorerne producerer digitale signaler, som MCU'en bruger til at bestemme motorens position og derefter producere drivsignalerne til at skifte MOSFET'erne i den nødvendige rækkefølge og med den ønskede hastighed for at styre motorens drift (Figur 1). Styrbarhed er en af de vigtigste fordele ved at bruge BLDC-motorer.

Figur 1: I en trefaset BLDC-motor leverer tre Hall-effekt sensorer de positionsoplysninger, der er nødvendige for at styre skiftet af de seks effekt-MOSFET'er. (Billedkilde: Diodes, Inc.)

Håndtering af udbredelsesforsinkelse

De styresignaler, der produceres af MCU'en, er for svage til direkte at drive effekt-MOSFET'erne, så der bruges en gate driver IC til at forstærke MCU-signalerne. Indførelsen af gate driver IC'en medfører imidlertid også en vis forsinkelse af styresignalerne. Desuden har de to kanaler i en halvbro gate-driver lidt forskellige responstider, hvilket resulterer i en skævhed i udbredelsesforsinkelse. I værste tilfælde kan høj-side kontakten blive tændt, før lsv-side kontakten er helt slukket, hvilket resulterer i, at begge kontakter ledes på samme tid. Hvis dette sker, opstår der en kortslutning, og motordriveren eller motoren kan blive beskadiget eller ødelagt.

Der er et par måder at håndtere problemer med udbredelsesforsinkelse på. Den ene indebærer brug af en hurtig MCU, der kan reagere hurtigt nok til at kompensere for udbredelsesforsinkelsen. To potentielle problemer med denne fremgangsmåde er, at den kræver en dyrere MCU, og at MCU'en indfører et dead-time bånd i switching-processen for at sikre, at de to afbrydere aldrig er tændt på samme tid. Denne døde tid forsinker den samlede omstillingsproces.

Det foretrukne alternativ i de fleste applikationer er at bruge en gate driver med en kort udbredelsesforsinkelse. Højtydende gate-driver IC'er omfatter også logik til forebyggelse af krydsledninger for yderligere at øge systemets pålidelighed (Figur 2).

Figur 2: Højtydende gate-driver IC'er omfatter logik til forebyggelse af tværledningsforbindelser (midt til venstre) ud over at have minimale udbredelsesforsinkelse. (Billedkilde: Diodes, Inc.)

Holde hovedet koldt

Sikker og præcis styring af effekt-MOSFET'erne er afgørende for pålidelig drift af BLDC-motorer, ligesom det er vigtigt at holde effekt-MOSFET'erne kølige. To vigtige specifikationer i forbindelse med termisk styring af effekthalvledere er den termiske modstand mellem krydset og huset (R_θJC) og den termiske modstand mellem krydset og omgivelserne (R_θJA). Begge er udtrykt i grader Celsius pr. watt (°C/W). R_θJC er enheds- og pakkespecifik. Det er et fast beløb, der afhænger af faktorer som f.eks. chip-størrelse, chip-attach materiale og pakkens termiske egenskaber.

R_θJA er et mere omfattende begreb: det omfatter R_θJC plus temperaturkoefficienterne for loddefuge og kølehoved. For effekt-MOSFET'er kan R_θJA være 10 gange større end R_θJC. Det er vigtigt at holde MOSFET-pakkens (kabinettets) temperatur (T_C) under kontrol (Figur 3). Det betyder, at faktorer som layout af printkortet og varmeafledning er meget vigtige, når der udvikles en løsning til termisk styring af effekt-MOSFET'er. Næsten al den varme, der genereres i MOSFET'en, vil blive ledt bort gennem kobberpladen/varmefangeren på printkortet.

Figur 3: R_θJA er en vigtig målestok for termisk dissipation og kan være 10 gange større end R_θJC. (Billedkilde: Diodes, Inc.)

Automobilstandarder

For at kunne anvendes i en bilapplikation skal enhederne også opfylde en eller flere industristandarder, herunder AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP og IATF 16949:2016. AEC-Q100 og AEC-Q101 er standarder for pålidelighed for halvlederkomponenter, der anvendes i bilapplikationer. PAPP er en dokumentations- og sporingsstandard, og IATF 16949:2016 er en ISO 9001-baseret kvalitetsstandard. Mere specifikt:

AEC-Q100 er en fejlmekanismebaseret stresstest for pakkede IC'er og omfatter fire driftstemperaturområder, eller klasser, for omgivelsestemperaturer:

• Klasse 0: -40 °C til +150 °C
• Klasse 1: -40 °C til +125 °C
• Klasse 2: -40 °C til +105 °C
• Klasse 3: -40 °C til +85 °C

AEC-Q101 definerer minimumskrav og betingelser for stresstestning af diskrete enheder som f.eks. power MOSFET'er og specificerer drift fra -40 °C til +125 °C.

PPAP er en 18-trins godkendelsesproces for nye eller reviderede komponenter. Det er designet til at sikre, at komponenterne konsekvent opfylder de specificerede krav. PPAP har fem standardniveauer for indsendelse, og kravene forhandles mellem leverandøren og kunden.

IATF 16949:2016 er et kvalitetssystem for bilindustrien, der er baseret på ISO 9001 og kundespecifikke krav fra bilindustrien. Denne standard kræver certificering af en 3. part.

Dobbelte power MOSFET'er

For at implementere et effektivt BLDC-motordrev kan designere bruge dobbelte N-kanals Enhancement Mode FET'er som Diodes Inc.'s DMTH6010LPD-13 til industrielle applikationer og DMTH6010LPDQ-13, som er kvalificeret til AEC-Q101 til bilapplikationer. Begge dele understøttes af en PPAP og fremstilles i IATF 16949-certificerede faciliteter. Disse MOSFET'er har en lav indgangskapacitet (C_iss) på 2615 picofarads (pF) til understøttelse af hurtige koblingshastigheder og en lav on-modstand (R_DS(on)) på 11 milliohms (mΩ) for høj konverteringseffektivitet, hvilket gør dem velegnede til højfrekvente, højeffektive applikationer. Enhederne har en 10-volt gate- driver, er klassificeret til drift til +175 °C og leveres i en 5 mm x 6 mm PowerDI5060-8 pakke med en stor drænplade for høj termisk dissipation (Figur 4). De termiske specifikationer omfatter:

• R_θJA i stationær tilstand på 53 °C/W med enheden monteret på FR-4 printplade med 2 oz kobber og med termiske vias til et bundlag, der består af en 1 tommer (in.) kvadratisk kobberplade
• R_θJC på 4°C/W
• Nominel til +175 °C

Figur 4: DMTH6010LPD-13 og DMTH6010LPDQ-13 bruger den store drænplade i deres PowerDI5060-8 pakke til at understøtte høj termisk dissipation. (Billedkilde: Diodes, Inc.)

Dobbelt MOSFET gate-driver

For at drive dobbelte power MOSFET'er kan designere bruge en af to halvbro gate-drivere: DGD05473FN-7 til industrielle applikationer eller den AEC-Q100 kvalificerede DGD05473FNQ-7 til bilsystemer. Disse drivere understøttes også af en PPAP og fremstilles i IATF 16949-certificerede faciliteter. Indgangene er kompatible med TTL- og CMOS-niveauer (ned til 3,3 volt) for at forenkle forbindelsen med en MCU, og den flydende høj-side driver er beregnet til 50 volt. Beskyttelsesfunktioner omfatter UVLO- og forebyggelseslogik mod krydsledning(se figur 2 igen). Den integrerede bootstrap-diode hjælper med at minimere pladsen på printpladen. Andre funktioner omfatter:

• 20 nanosekunder (ns) udbredelsesforsinkelse
• 5 ns maksimal forsinkelsestilpasning
• 1,5 ampere (A) som kilde og 2,5 A som sænkestyrke maksimal drevstrøm
• Under 1 mikroampere (µA) standby-strøm
• AEC-Q100 grade 1 driftstemperaturområde fra -40°C til +125°C

Termiske og EMI-overvejelser

Bedste praksis for printkortlayout ved brug af de ovenfor beskrevne MOSFET'er og driver-IC'er bør kombinere et kompakt design med de største praktiske kobberområder til MOSFET'erne for at sikre den bedst mulige varmeafledning. Det kompakte design minimerer loop-områderne, mens korte ledningslængder minimerer EMI og reducerer bekymringerne for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC).

For yderligere at forbedre EMC- og termisk ydeevne bør printkortet indeholde en solid intern jordplade og en ekstra strømplade i bunden. Desuden bør der anvendes et separat internt lag til signallinjer.

MOSFET-pakken har stor betydning for den termiske ydeevne. Når man ser på tre muligheder, PowerDI5060-8, 3 mm x 3 mm PowerDI3333-8 og 2 mm x 2 mm DFN2020-6, finder man, at PowerDI5060 med den største drænplade understøtter den højeste effektforbrug på 2,12 watt (figur 5).

Figur 5: PowerDI5060 (blå linje) bruger mere strøm sammenlignet med de to mindre pakker. (Billedkilde: Diodes, Inc.)

Konklusion

Dobbelte power-MOSFET'er i termisk effektive pakninger kan kombineres med matchende gate-drive-IC'er for at fremstille højtydende og kompakte BLDC-motordriver til bilindustrien og industrielle applikationer. Disse løsninger kan opfylde AEC-, PPAP- og IATF-standarderne for henholdsvis pålidelighed, dokumentation og kvalitet. Ved hjælp af bedste praksis for printkortlayout kan enhederne bruges til at hjælpe designere med at opnå den bedste termiske og EMC-ydeevne for deres BLDC-motordriver.

Anbefalet læsning

1. Brug sensorløs vektorstyring med BLDC- og PMS-motorer til at levere præcis bevægelsesstyring
2. Hvilke typer af encoderfunktioner øger robustheden? Måske solid-state-elektronik elektronik?
3. Sådan vælger og bruger du vinkelsensorer til servostyring, motorer og robotteknologi