Termisk opmærksomt høj-effekt inverterkort til batteridrevne applikationer

I dag kan batteridrevne motordrevne løsninger normalt levere hundreder af watt ved hjælp af meget lave driftsspændinger. I sådanne anvendelser anses det for nødvendigt med en korrekt styring af de strømme, der strømmer gennem motorens styreelektronik, for at sikre systemets samlede effektivitet og pålidelighed. Motorstrømmene kan nemlig overstige flere x10 amperes, hvilket medfører øget strømforbrug i inverteren. Mere strøm til inverter komponenterne resulterer i højere temperaturer, forringet ydeevne og endog pludselige brud, hvis de overskrider de maksimalt tilladte værdier. Optimering af den termiske ydeevne i kombination med en kompakt formfaktor er et vigtigt aspekt af inverter designfasen, som kan gemme på faldgruber, hvis der ikke tages ordentligt fat på det. En tilgang til dette problem har været at fremstille prototyper, der successivt er blevet forfinet ved hjælp af validering i marken. Imidlertid var de elektriske og termiske evalueringer fuldstændig adskilt, og der blev aldrig taget højde for elektrisk-varmiske koblingseffekter under konstruktionen. Dette resulterede normalt i flere iterationer og lang tid til markedsføring. Der findes i øjeblikket en mere effektiv alternativ metode til optimering af motorstyringssystemers elektrotermiske ydeevne ved hjælp af moderne simuleringsteknologier. Cadence® Celsius™ Thermal Solver, branchens førende software til elektrisk-varmisk co-simulering til systemanalyse, giver på få minutter en global og præcis vurdering af designets ydeevne fra både et elektrisk og termisk perspektiv. STMicroelectronics, en førende producent af integrerede kredsløb til industriel motorstyring, har finjusteret sit EVALSTDRIVE101-evalueringskort ved hjælp af Celsius™. Resultatet er en inverter til trefasede børsteløse motorer, der kan køre op til 15 A_rms strøm, som kan refereres af de endelige applikationsdesignere. I denne artikel benytter vi lejligheden til at beskrive den arbejdsgang, der gjorde det muligt for STMicroelectronics at sætte EVALSTDRIVE101 i produktion, hvilket reducerede den nødvendige indsats for termisk optimering.

EVALSTDRIVE101

EVALSTDRIVE101 er baseret på STDRIVE101, en 75 V tredobbelt halvbro-gate driver med beskyttelse i en quad flat no-lead (QFN) 4x4 mm pakke, der passer perfekt til batteridrevne løsninger og seks STL110N10F7 power MOSFET'er arrangeret i tre halvbroer. Celsius™ forenklede optimeringsprocessen for EVALSTDRIVE101 dramatisk og opnåede et kompakt og pålideligt design på kort tid. Simuleringsresultaterne blev som beskrevet senere brugt til iterativt at justere komponentplaceringer, finjustere formen af planer og spor, ændre lagtykkelsen og tilføje eller fjerne vias for at opnå den produktionsklare version af inverteren. Det optimerede EVALSTDRIVE101-layout består af fire lag med 2 oz kobber, en bredde på 11,4 cm og en højde på 9 cm, der kan levere op til 15 A_rms strøm til belastningen ved hjælp af en batterispænding på 36 V. Ud fra et termisk perspektiv er den mest kritiske del af EVALSTDRIVE101-elementet effektområdet, der hovedsagelig omfatter effekt-MOSFET'er, shuntmodstande, keramiske bypass-kondensatorer, elektrolytiske bulkkondensatorer og stik. Layoutet af denne del blev kraftigt indskrænket til kun at dække halvdelen af den samlede printplade, dvs. 50 cm². I denne henseende blev der lagt særlig vægt på placering og routing af MOSFET'er, da disse komponenter er ansvarlige for størstedelen af strømtabene under inverterdrift. Kobberarealet af alle MOSFET-drænterminaler blev maksimeret på det øverste lag og gentaget og forstørret hvor det var muligt i andre lag for at forbedre varmetransmissionen mod bunden af printpladens overflade. På denne måde bidrager både top- og bundfladerne på pladen effektivt til varmeafledning ved naturlig konvektion og stråling. Den elektriske og termiske forbindelse mellem de forskellige lag blev sikret ved hjælp af vias med en diameter på 0,5 mm, der letter luftstrømmen og forbedrer køling. Et gitter af vias er placeret lige under MOSFET'ernes eksponerede pads, men deres diameter blev reduceret til 0,3 mm for at forhindre, at loddepastaen løber tilbage i hullerne.

Skøn over effekttab

Figur 1: Simuleret strømtæthed i det øverste lag. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Figur 2: Simulerede temperaturer i stabil tilstand i det øverste lag. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Den termiske optimering af EVALSTDRIVE101 startede med et estimat af den effekt, som inverteren afgiver under driften, som er et input til den termiske simulator. Invertertabene kan opdeles i to bidrag: Tabene som følge af Joule-effekten i printkortets spor og tabene som følge af elektroniske komponenter. Mens Celsius™ kan bestemme strømtætheder og printpladetab direkte og præcist ved at importere layoutdata, skal tabene på grund af elektroniske komponenter beregnes. Selv om en kredsløbssimulator kunne give meget nøjagtige resultater, blev det besluttet at anvende forenklede formler for at opnå et rimeligt skøn over effekttabene, om end med tilnærmelser. Det er muligt, at fabrikanterne ikke kan levere elektriske modeller af komponenterne, og at det er vanskeligt eller umuligt at implementere dem fra bunden på grund af manglende modelleringsdata, mens de tilvejebragte formler kun kræver grundlæggende oplysninger fra databladene. Hvis man ser bort fra sekundære fænomener, domineres inverterens effekttab af tab i shuntmodstandene P_sh og MOSFET'erne. Disse tab skyldes ledning P_cond, switching P_sw og diodefald P_dt:

Det anslåede strømforbrug var 1,303 W for hver MOSFET og 0,281 W for hver shuntmodstand.

Termiske simuleringer

Celsius™ giver designere mulighed for at udføre simuleringer, der omfatter en elektrisk analyse af systemet, som viser strømtætheder i spor og vias samt spændingsfald. Disse simuleringer kræver, at designerne definerer de relevante strømkredsløb ved hjælp af en kredsløbsmodel for systemet. Den model, der er anvendt for hver halvbro i EVALSTDRIVE101, er vist i figur 3. Den består af to konstantstrømsgeneratorer, der er placeret mellem udgangs- og strømforsyningsstik og tre kortslutninger, der omgår MOSFET'erne og shuntmodstanden. De to strømsløjfer giver en god overensstemmelse med de reelle gennemsnitsstrømme i hele forsyningsskinnen og jordpladen, mens strømmen i udgangsstien er lidt for stor, hvilket er en praktisk driftsbetingelse til evaluering af designets robusthed. Figur 4 og figur 1 viser spændingsfaldet og strømtætheden for EVALSTDRIVE101 med en strøm på 15 A_rms. Spændingsfald i forhold til jordreferencen fremhæver et særligt optimeret layout med fravær af flaskehalse og velafbalancerede udgange på 28mV, 25mV og 23mV for U, V og W. Udgang U viser det højeste spændingsfald, mens udgang W er det laveste af de tre på grund af den kortere strømstiklængde fra strømkontakten. Strømmene er godt fordelt i de forskellige baner og har en gennemsnitlig tæthed på under 15 A/mm², hvilket er den anbefalede værdi for dimensionering af strømledninger. Nogle røde områder er fremhævet i nærheden af MOSFET'er, shuntmodstande og stik. Disse repræsenterer en højere strømtæthed, fordi komponenternes terminaler er mindre end de underliggende strømledninger. Den maksimale strømtæthed er dog langt under grænsen på 50 A/mm², hvilket realistisk set kan føre til problemer med pålideligheden.

Figur 3: Modellering af strømkredsløbet. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Simulatoren gør det muligt for designere at opsætte og køre stationære eller transiente simuleringer. Førstnævnte giver et enkelt 2D-temperaturkort for lag og komponenter, mens sidstnævnte giver kort for hvert simuleret tidsøjeblik og opvarmningskurver på bekostning af længere simuleringstid. De indstillinger, der er nødvendige for stationær simulering, kan anvendes til en transient simulering, men dette kræver desuden definition af funktioner for effekttab for komponenterne. Transiente simuleringer er velegnede til at definere forskellige driftstilstande for systemet med strømkilder, der ikke er aktive samtidig, og til at vurdere den tid, der er nødvendig for at nå en stabil temperatur.

Figur 4: Simulerede spændingsfald i det indre lag. (Billedkilde: STMicroelectronics)

EVALSTDRIVE101-simuleringerne blev udført ved en omgivelsestemperatur på 28 °C med varmeoverførselskoefficienten som randbetingelser og de termiske modeller med to modstande for enhederne. Disse modeller blev anvendt i stedet for detaljerede termiske modeller som Delphi, da de er direkte tilgængelige i komponenternes datablade, selv om dette dog går lidt ud over simuleringsnøjagtigheden. Resultater for EVALSTDRIVE101 i stationær tilstand er vist i figur 4 og transiente simuleringsresultater i figur 5. Der blev anvendt trinvise effektfunktioner i transientsimuleringen for at aktivere alle MOSEFT'er og shuntmodstande på tidspunktet nul. Simuleringerne viste, at U-halvbroområdet var det varmeste område på kortet. Q1 MOSFET (high-side) var 94,06 °C efterfulgt af Q4 MOSFET (low-side), R24 og R23 shuntmodstande med temperaturer på henholdsvis 93,99 °C, 85,34 °C og 85,58 °C.

Figur 5: Simulerede U-halvbrokomponenter opvarmes. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Opsætning til termisk karakterisering

Der blev foretaget en eksperimentel karakterisering af EVALSTDRIVE101's termiske ydeevne efter produktionen. I stedet for at bruge en motor forbundet til en bremsebænk blev der overvejet en tilsvarende testbænk for at lette implementeringen, som vist i figur 6. EVALSTDRIVE101 blev tilsluttet et kontrolkort til at generere de nødvendige styresignaler og placeret inde i en plexiglaskasse for at opnå systemkøling ved konvektion uden utilsigtet luftstrøm. Over kassen var der placeret et termisk kamera (model TVS-200 fra Nippon Avionics), som indrammede brættet gennem et hul i kassens låg. En trefaset belastning blev tilsluttet kortets udgange, og systemet blev forsynet med 36 V. Belastningen består af tre spoler, der er koblet i en stjernekonfiguration for at efterligne motoren. Hver spole har en mætningsstrøm på 30 A, en induktans på 300 µH og kun en parasitmodstand på 25 mΩ. Den lave parasitmodstand reducerede Joule-varmeeffekten i spolerne betydeligt til fordel for en tabsfri strømoverførsel mellem printkortet og belastningen. Der blev genereret tre sinusformede strømme i spolerne ved 15 A_rms ved at anvende passende sinusformede spændinger via kontrolkortet. Med denne metode arbejdede effekttrinnet i en driftsbetingelse, der lå meget tæt på den endelige motordriftsanvendelse, og det havde den fordel, at der ikke var behov for en reguleringssløjfe.

Figur 6: Opsætning til termisk karakterisering. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Måling af effekttab

En faktor, der påvirker kvaliteten af simuleringsresultaterne, er helt sikkert nøjagtigheden af dataene for den effekt, som hver enhed afgiver i strømforløbet. Disse data blev opnået ved hjælp af forenklede formler for både MOSFET'erne og shuntmodstandene, og der blev derfor indført tilnærmelser. Der blev foretaget målinger på kortet for at evaluere fejlen i kvantificeringen af den tabte effekt. Kortets effekttab P_loss blev målt som forskellen mellem indgangseffekten P_in og den effekt, der leveres til belastningen ved de tre udgange P^U_out, P^V_out, and P^W_out. Målingen blev foretaget ved hjælp af et oscilloskop (model HDO6104-MS fra Teledyne LeCroy) og ved anvendelse af de rette matematiske funktioner på bølgeformerne: Først blev spændings- og strømproduktet punkt for punkt beregnet, derefter blev effekten gennemsnitliggjort over et helt antal sinuscyklusser. Følgende tabel viser måleresultaterne ved omgivelsestemperatur og i varm tilstand, når effektfasen har nået stationær tilstand. Den samlede værdi af den effekt, som printkortet tidligere er blevet anslået ved hjælp af formler, er også angivet.

Resultaterne viser en meget god overensstemmelse mellem målinger og skøn, hvilket er i overensstemmelse med de indførte tilnærmelser. Formlerne giver en overvurdering af målingen ved stuetemperatur på 1,5 %, hvilket giver en undervurdering på ca. 3,9 % sammenlignet med data for varme forhold. Dette resultat er i overensstemmelse med variabiliteten i forbindelse med MOSFET'ernes og shuntmodstandenes on-modstand, da der blev anvendt nominelle værdier i beregningerne. Som forventet var alle effektværdier højere ved varm end ved stuetemperatur på grund af stigningen i spolernes og MOSFET'ernes modstand med temperaturen. Dataene viser også en forskel mellem de målte ydelser for de tre udgange. Denne effekt skyldes ubalanceringen af den trefasede belastning på grund af lidt forskellige værdier af L og R fra spole til spole. Denne effekt spiller dog kun en marginal rolle, da den observerede forskydning er mindre end forskydningen mellem målingerne og skønnet.

Temperaturresultater

Genereringen af sinusformede strømme i belastningen og optagelsen af termiske billeder med det termiske kamera blev aktiveret samtidig. Varmekameraet var tidligere konfigureret til at indsamle termiske billeder hvert 15. sekund og til at medtage tre temperaturmarkører for komponenterne Q1, Q4 og R23 i hver optagelse. Systemet forblev aktivt, indtil den stationære tilstand blev nået efter ca. 25 minutter. Den omgivelsestemperatur, der blev registreret inde i kassen ved afslutningen af testen, var ca. 28 °C. Figur 7 viser kortets opvarmningstransient, der blev afledt af temperaturmarkører, og figur 8 viser de endelige temperaturer på kortet. Målingen viste, at Q1 MOSFET'en var den varmeste komponent på hele kortet med en temperatur på 93,8 °C, mens Q4 MOSFET'en og R23-modstanden nåede op på henholdsvis 91,7 °C og 82,6 °C. Som tidligere omtalt simulerede Celsius™ Q1 MOSFET-temperaturen på 94,06 °C, Q4 MOSFET-temperaturen på 93,99 °C og R23-temperaturen på 85,58 °C, hvilket giver en meget god overensstemmelse med målingerne. Den samme overensstemmelse kan også konstateres for tidskonstanten for opvarmningstransienten, hvilket let kan ses ved direkte sammenligning af figur 5 og figur 7.

Figur 7: Opvarmning af de målte U halvbrokomponenter. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Figur 8: Målte temperaturer i det øverste lag i stationær tilstand. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Sammenfatning

STMicroelectronics har for nylig frigivet EVALSTDRIVE101-evalueringskortet, som er designet ved hjælp af Cadence® Celsius™ Thermal Solver. Kortet er beregnet til styring af trefasede børsteløse trefasede motorer med høj effekt og lav spænding, som er nødvendige for batteridrevne applikationer. Den omfatter et kompakt effekttrin på 50 cm², som kan levere over 15 A_rms strøm til motoren uden kølehoved eller ekstra køling. Ved hjælp af forskellige simuleringsfunktioner i den termiske simulator var det ikke kun muligt at forudse temperaturprofilen på printkortet og de varme punkter på komponenterne i effekttrinet, men også at få en detaljeret beskrivelse af spændingsfald og strømtæthed langs strømledninger, som det kunne være vanskeligt eller slet ikke muligt at opnå ved eksperimentelle målinger. Simuleringsresultater muliggjorde en hurtig optimering af printkortlayoutet, justering af placering og korrektion af svagheder i layoutet fra et tidligt tidspunkt i designet til signoff. En termisk karakterisering med et infrarødt kamera viste den gode overensstemmelse mellem simulerede og målte steady-state temperaturer samt den transiente temperaturprofil, hvilket beviser kortets fremragende ydeevne og effektiviteten af den termiske simulator til at hjælpe designere med at reducere designmarginen og opnå en hurtig time-to-market.