Cum să optimizați performanța termică a acționării motorului BLDC în medii dificile

Motoarele cu curent continuu fără perii (BLDC) sunt utilizate din ce în ce mai des în condiții termice solicitante în medii auto, cum ar fi vehiculele electrice (EV), și în aplicații industriale, precum robotica și echipamentele de producție. Pentru proiectanți, gestionarea termică eficientă este un aspect esențial pentru a asigura funcționarea fiabilă a acționărilor motoarelor BLDC. În acest scop, aceștia trebuie să acorde o atenție deosebită MOSFET-urilor de putere și circuitelor integrate de comandă a porții în ceea ce privește frecvența de comutare, eficiența, intervalul de temperatură de funcționare și factorul de formă, asigurându-se în același timp că îndeplinesc calificări precum AEC-Q101, Procesul de aprobare a pieselor de producție (PPAP) și Standardul 16949:2016 al Grupului operativ internațional pentru industria auto (IATF), acolo unde este cazul.

În plus, driverele de poartă trebuie să fie compatibile cu nivelurile de tensiune standard TTL (tranzistor-tranzistor-logică) și CMOS pentru a simplifica interfațarea cu microcontrolerele (MCU). De asemenea, acestea trebuie să fie capabile să protejeze MOSFET-urile de diferite condiții de defecțiune și trebuie să aibă întârzieri de propagare bine adaptate pentru a susține funcționarea eficientă la frecvențe înalte.

Pentru a satisface aceste nevoi, proiectanții pot asocia MOSFET-uri cu două canale N cu mod de îmbunătățire cu circuite integrate de comandă a porții de înaltă frecvență pentru a produce soluții compacte și eficiente.

Acest articol începe cu o prezentare generală a considerentelor privind gestionarea termică la proiectarea acționărilor de motoare BLDC, apoi rezumă cerințele AEC-Q101, PPAP și IATF 16949:2016. În continuare, se prezintă exemple de MOSFET-uri de înaltă performanță cu două canale N cu mod de îmbunătățire și circuite integrate de comandă a porții corespunzătoare de la Diodes, Inc., care sunt potrivite pentru sistemele de acționare a motoarelor BLDC din industria auto și sistemele industriale. Articolul se încheie cu o discuție despre considerentele privind configurația plăcii de circuite imprimate pentru circuitele de acționare BLDC, inclusiv minimizarea interferențelor electromagnetice (EMI) și optimizarea performanțelor termice.

BLDC-uri și comutare

Principala diferență între BLDC-uri și motoarele cu perii este că, în cazul motoarelor BLDC, este nevoie de o comandă MCU pentru a realiza comutarea. Acest lucru necesită capacitatea de a detecta poziția de rotație a rotorului. Detectarea poziției poate fi realizată prin intermediul rezistoarelor de detectare a curentului sau al senzorilor cu efect Hall. Plasarea senzorilor cu efect Hall în interiorul motorului – separați de 120° – este un mod comun, precis și eficient de a implementa detectarea poziției.

Metoda implică utilizarea unei configurații în punte a șase MOSFET-uri de putere pentru a comanda un motor BLDC trifazat. Senzorii cu efect Hall produc semnale digitale pe care MCU le utilizează pentru a determina poziția motorului și apoi produc semnalele de comandă pentru a comuta MOSFET-urile în secvența necesară și la viteza dorită pentru a controla funcționarea motorului (Figura 1). Controlabilitatea este un avantaj cheie al utilizării motoarelor BLDC.

Figura 1: Într-un motor BLDC trifazat, trei senzori cu efect Hall furnizează informațiile de poziție necesare pentru a controla comutarea celor șase MOSFET-uri de putere. (Sursa imaginii: Diodes, Inc.)

Gestionarea întârzierilor de propagare

Semnalele de control produse de MCU sunt prea slabe pentru a comanda direct MOSFET-urile de putere, astfel încât se utilizează un circuit integrat de comandă a porții pentru a amplifica semnalele MCU. Cu toate acestea, introducerea circuitului integrat de comandă a porții introduce și o anumită întârziere de propagare a semnalelor de control. În plus, cele două canale dintr-un driver de poartă cu jumătate de punte au timpi de răspuns ușor diferiți, ceea ce duce la o deviație a întârzierii de propagare. În cel mai rău scenariu, comutatorul high-side poate fi pornit înainte ca comutatorul low-side să fie complet oprit, ceea ce face ca ambele comutatoare să conducă în același timp. Dacă se întâmplă acest lucru, se va produce un scurtcircuit, iar unitatea de acționare a motorului sau motorul poate fi deteriorat sau distrus.

Există câteva modalități de a rezolva problemele legate de întârzierea de propagare. Una dintre acestea implică utilizarea unui MCU rapid care poate reacționa suficient de repede pentru a compensa întârzierea de propagare. Două probleme potențiale ale acestei abordări sunt faptul că este nevoie de un MCU mai scump, iar MCU introduce o bandă de timp mort în procesul de comutare pentru a se asigura că cele două comutatoare nu sunt niciodată pornite în același timp. Acest timp mort întârzie procesul general de comutare.

Alternativa preferată în majoritatea aplicațiilor este utilizarea unui driver de poartă cu o întârziere de propagare scurtă. Circuitele integrate de înaltă performanță pentru driverul de poartă includ, de asemenea, o logică de prevenire a conducției încrucișate pentru a spori și mai mult fiabilitatea sistemului (Figura 2).

Figura 2: Circuitele integrate de înaltă performanță pentru driverele de poartă includ logica de prevenire a conducției încrucișate (centru stânga), pe lângă faptul că au întârzieri de propagare minime. (Sursa imaginii: Diodes, Inc.)

Menținerea temperaturii scăzute

Acționarea sigură și precisă a MOSFET-urilor de putere este esențială pentru funcționarea fiabilă a motoarelor BLDC, la fel ca și menținerea unei temperaturi reduse a MOSFET-urilor de putere. Două specificații importante legate de gestionarea termică pentru semiconductoarele de putere sunt rezistența termică joncțiune-carcasă (R_θJC) și rezistența termică joncțiune-ambient (R_θJA). Ambele sunt exprimate în grade Celsius pe watt (°C/W). R_θJC este specifică dispozitivului și capsulei. Aceasta este o cantitate fixă care depinde de factori precum dimensiunea matriței, materialul de fixare a matriței și caracteristicile termice ale capsulei.

R_θJA este un concept mai extins: include R_θJC plus coeficienții de temperatură ai îmbinării de lipire și ai radiatorului. Pentru MOSFET-urile de putere, R_θJA poate fi de 10 ori mai mare decât R_θJC. Menținerea sub control a temperaturii (T_C) capsulei (carcasei) MOSFET este un aspect esențial (Figura 3). Acest lucru înseamnă că factori precum dispunerea plăcii și radiatorul sunt foarte importanți atunci când se dezvoltă o soluție de gestionare termică pentru MOSFET-urile de putere. Aproape toată căldura generată în MOSFET va fi disipată prin plăcuța de cupru/radiatorul de pe placa de circuite imprimate.

Figura 3: R_θJA este un indicator cheie al disipării termice și poate fi de 10 ori mai mare decât R_θJC. (Sursa imaginii: Diodes, Inc.)

Standardele auto

Pentru a fi utilizate într-o aplicație pentru automobile, dispozitivele trebuie să îndeplinească, de asemenea, unul sau mai multe standarde industriale, inclusiv AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP și IATF 16949:2016. AEC-Q100 și AEC-Q101 sunt standarde de fiabilitate pentru dispozitivele semiconductoare utilizate în aplicațiile auto. PAPP este un standard de documentare și urmărire, iar IATF 16949:2016 este un standard de calitate bazat pe ISO 9001. Mai exact:

AEC-Q100 este un test de rezistență bazat pe mecanismul de defecțiune pentru circuite integrate capsulate și include patru intervale de temperatură de funcționare pentru mediul ambiant, sau grade:

• Gradul 0: de la -40 °C la +150 °C
• Gradul 1: de la -40 °C la +125 °C
• Gradul 2: de la -40 °C la +105 °C
• Gradul 3: de la -40 °C la +85 °C

AEC-Q101 definește cerințele și condițiile minime de testare la stres pentru dispozitive discrete, cum ar fi MOSFET-urile de putere, și specifică funcționarea de la -40 °C la +125 °C.

PPAP este un proces de aprobare în 18 etape pentru componente noi sau revizuite. Acesta este conceput pentru a garanta că componentele îndeplinesc în mod constant cerințele specificate. PPAP are cinci niveluri standard de prezentare, iar cerințele sunt negociate între furnizor și client.

IATF 16949:2016 este un sistem de calitate pentru industria auto bazat pe ISO 9001 și pe cerințele specifice ale clienților din sectorul auto. Acest standard necesită o certificare de către un auditor de terță parte.

MOSFET-uri de putere duble

Pentru a implementa o acționare eficientă a motorului BLDC, proiectanții pot utiliza FET-uri cu două canale N cu mod de îmbunătățire, cum ar fi DMTH6010LPD-13 de la Diodes Inc. pentru aplicații industriale și DMTH6010LPDQ-13, care este calificat conform AEC-Q101 pentru aplicații auto. Ambele piese sunt susținute de un PPAP și sunt fabricate în instalații certificate IATF 16949. Aceste MOSFET-uri au o capacitate de intrare scăzută (C_iss) de 2615 picofarazi (pF) pentru a susține viteze de comutare rapide și o rezistență de pornire scăzută (R_DS(on)) de 11 miliohmi (mΩ) pentru o eficiență de conversie ridicată, ceea ce le face potrivite pentru aplicații de înaltă frecvență și eficiență ridicată. Dispozitivele au o comandă de poartă de 10 volți, sunt proiectate pentru funcționare până la +175 °C și vin într-o capsulă PowerDI5060-8 de 5 milimetri (mm) x 6 mm cu o placă de absorbție de mari dimensiuni pentru o disipare termică ridicată (Figura 4). Specificațiile termice includ:

• R_θJA de 53 °C/W în stare stabilă, cu dispozitivul montat pe placa de circuite imprimate FR-4 cu cupru de 56 g (2 uncii (oz)) și cu trasee termice către un strat inferior care include o placă de cupru pătrată de 1 inch (in.)
• R_θJC de 4 °C/W
• Evaluat la +175 °C

Figura 4: DMTH6010LPD-13 și DMTH6010LPDQ-13 utilizează placa de absorbție de mari dimensiuni a capsulei PowerDI5060-8 pentru a susține o disipare termică ridicată. (Sursa imaginii: Diodes, Inc.)

Driver de poartă MOSFET dublu

Pentru a comanda MOSFET-uri de putere duble, proiectanții pot utiliza oricare dintre cele două drivere de poartă cu jumătate de punte: DGD05473FN-7 pentru aplicații industriale sau DGD05473FNQ-7 calificat AEC-Q100 pentru sisteme auto. Aceste drivere sunt, de asemenea, susținute de un PPAP și sunt fabricate în instalații certificate IATF 16949. Intrările sunt compatibile cu nivelurile TTL și CMOS (până la 3,3 volți) pentru a simplifica conectarea cu un MCU, iar driverul high-side flotant este evaluat pentru 50 de volți. Funcțiile de protecție includ UVLO și logica de prevenire a conducției încrucișate (consultați din nou Figura 2). Dioda bootstrap integrată ajută la minimizarea spațiului pe placa de circuite imprimate. Alte caracteristici includ:

• Întârziere de propagare 20 de nanosecunde (ns)
• Adaptare întârziere maximă 5 ns
• Curent de acționare maxim de 1,5 amperi (A) furnizare și 2,5 A de absorbție
• Curent de standby sub 1 microamper (µA)
• Intervalul temperaturii de funcționare AEC-Q100 de grad 1 de la -40 °C la +125 °C

Considerente termice și EMI

Cele mai bune practici în ceea ce privește dispunerea plăcii care utilizează MOSFET-urile și circuitele integrate de comandă detaliate mai sus ar trebui să combine un design compact cu cele mai mari suprafețe de cupru practice pentru MOSFET-uri, pentru a asigura cea mai bună disipare termică posibilă. Designul compact va minimiza zonele de buclă, în timp ce lungimile scurte de cablare vor minimiza EMI și vor reduce problemele de compatibilitate electromagnetică (CEM).

Pentru a îmbunătăți și mai mult performanțele termice și de compatibilitate electromagnetică, ar trebui să se includă în placa de circuite imprimate un plan de masă intern solid și un plan de alimentare suplimentar în partea inferioară. În plus, pentru liniile de semnal ar trebui să se utilizeze un strat intern separat.

Capsula MOSFET are un impact major asupra performanței termice. Analizând trei opțiuni, PowerDI5060-8, PowerDI3333-8 de 3 mm x 3 mm și DFN2020-6 de 2 mm x 2 mm, se constată că PowerDI5060 cu cea mai mare placă de absorbție suportă cea mai mare disipare de putere, ajungând la 2,12 wați (Figura 5).

Figura 5: PowerDI5060 (linia albastră) disipează mai multă energie în comparație cu cele două capsule mai mici. (Sursa imaginii: Diodes, Inc.)

Concluzie

MOSFET-urile de putere duble în capsule eficiente din punct de vedere termic pot fi combinate cu circuite integrate de comandă a porții corespunzătoare pentru a produce acționări compacte și de înaltă performanță pentru motoare BLDC pentru aplicații auto și industriale. Aceste soluții pot respecta standardele AEC, PPAP și IATF în ceea ce privește fiabilitatea, documentația și, respectiv, calitatea. Utilizând cele mai bune practici de dispunere a plăcii de circuite imprimate, dispozitivele pot fi folosite pentru a-i ajuta pe proiectanți să obțină cele mai bune performanțe termice și CEM pentru implementarea acționării motorului BLDC.

Lectură recomandată

1. Utilizați controlul vectorial fără senzori cu motoare BLDC și PMS pentru a oferi un control precis al mișcării
2. Ce tipuri de caracteristici ale codificatorului sporesc rezistența? Ce ziceți de electronicele cu semiconductori?
3. Cum se aleg și se utilizează senzorii unghiulari pentru servodirecție, motoare și robotică