Placă de invertor de mare putere, cu sensibilitate termică, pentru aplicații alimentate cu baterii

În prezent, soluțiile cu motor alimentate cu baterii pot furniza în mod obișnuit sute de wați de putere folosind tensiuni de funcționare foarte scăzute. În astfel de aplicații, o gestionare corectă a curenților care trec prin componentele electronice de comandă a motorului este considerată necesară pentru a asigura eficiența și fiabilitatea sistemului în ansamblu. Într-adevăr, curenții motorului pot depăși zeci de amperi, ceea ce duce la o disipare mai mare de putere în interiorul invertorului. O putere mai mare la componentele invertorului duce la temperaturi mai ridicate, la degradarea performanțelor și chiar la întreruperi bruște dacă se depășesc valorile nominale maxime permise. Optimizarea performanțelor termice, în combinație cu un factor de formă compact, este un aspect cheie al fazei de proiectare a invertorului, care poate ascunde capcane dacă nu este abordată în mod corespunzător. O abordare a acestei probleme a fost producerea de prototipuri care au fost rafinate succesiv prin validare pe teren. Cu toate acestea, evaluările electrice și termice au fost complet separate, iar efectele de cuplare electrică și termică nu au fost niciodată abordate în timpul proiectării. Acest lucru a dus, de obicei, la mai multe iterații și la un timp îndelungat până la lansarea pe piață. În prezent, este disponibilă o metodă alternativă mai eficientă de optimizare a performanțelor electrotermice ale sistemelor de control al motoarelor prin utilizarea tehnologiilor moderne de simulare. Cadence® Celsius™ Thermal Solver, software-ul de co-simulare electrică și termică din topul industriei pentru analiza de sistem, oferă în doar câteva minute o evaluare globală și precisă a performanțelor de proiectare, atât din punct de vedere electric, cât și termic. STMicroelectronics, unul dintre principalii producători de circuite integrate de control al motoarelor industriale, și-a rafinat placa de evaluare EVALSTDRIVE101 folosind Celsius™. Rezultatul este un invertor pentru motoare trifazate fără perii, capabil să conducă un curent de până la 15 A_rms, pe care îl pot consulta proiectanții aplicațiilor finale. În acest articol, încercăm să descriem fluxul de lucru care a permis STMicroelectronics să pună în producție EVALSTDRIVE101, reducând efortul necesar pentru optimizarea termică.

EVALSTDRIVE101

EVALSTDRIVE101 se bazează pe STDRIVE101, un driver de poartă triplu de 75 V cu semi-punte și protecții furnizate într-o capsulă quad flat no-lead (QFN) de 4x4 mm, o potrivire perfectă pentru soluțiile alimentate cu baterii și șase MOSFET-uri de putere STL110N10F7 dispuse în trei semi-punți. Celsius™ a simplificat în mod considerabil procesul de optimizare a EVALSTDRIVE101, obținând un design compact și fiabil într-un timp scurt. Rezultatele simulării, așa cum se va discuta mai târziu, au fost utilizate pentru a ajusta iterativ amplasarea componentelor, pentru a rafina formele planurilor și a traseelor, pentru a modifica grosimea stratului și pentru a adăuga sau elimina căile de trecere, pentru a obține o versiune a invertorului gata de producție. Dispunerea optimizată EVALSTDRIVE101 constă din patru straturi cu 2 oz de cupru, lățimea de 11,4 cm și înălțimea de 9 cm, care poate furniza până la 15 A_rms de curent la sarcină folosind o tensiune a bateriei de 36 V. Din punct de vedere termic, cea mai importantă parte a EVALSTDRIVE101 este zona etajului de putere care include în principal MOSFET-uri de putere, rezistoare de șuntare, condensatoare ceramice de bypass, condensatoare electrolitice de decuplare și conectori. Dispunerea acestei părți a fost micșorată considerabil pentru a acoperi doar jumătate din dimensiunea totală a plăcii, adică 50 cm². În acest sens, s-a acordat o atenție deosebită amplasării și rutei MOSFET-urilor, deoarece aceste componente sunt responsabile pentru majoritatea pierderilor de energie în timpul funcționării invertorului. Suprafața de cupru a tuturor terminalelor de drenă ale MOSFET-urilor a fost maximizată pe stratul superior și a fost reprodusă și mărită, acolo unde a fost posibil, pentru alte straturi, pentru a îmbunătăți transmiterea căldurii spre partea inferioară a suprafeței plăcii. În acest fel, atât suprafața de sus, cât și cea de jos a plăcii contribuie eficient la disiparea căldurii prin convecție naturală și radiație. Conexiunea electrică și termică între diferitele straturi a fost asigurată prin intermediul unor căi cu diametrul de 0,5 mm care facilitează fluxul de aer și îmbunătățesc răcirea. O grilă de trasee este situată chiar sub plăcuțele expuse ale MOSFET-urilor, dar diametrul lor a fost redus la 0,3 mm pentru a preveni refluxul pastei de lipit în orificii.

Estimarea pierderilor de energie

Figura 1: densitatea de curent simulată a stratului superior. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Figura 2: temperaturile simulate ale stratului superior în stare stabilă. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Optimizarea termică a EVALSTDRIVE101 a pornit de la o estimare a puterii disipate de invertor în timpul funcționării sale, aceasta fiind una dintre intrările simulatorului termic. Pierderile din invertor pot fi împărțite în două contribuții: cele datorate efectului Joule în cadrul traseelor de pe placă și cele datorate componentelor electronice. În timp ce Celsius™ poate determina cu precizie densitățile de curent și pierderile pe placă direct prin importul datelor de dispunere, pierderile datorate componentelor electronice trebuie calculate. Deși un simulator de circuit ar putea furniza rezultate foarte precise, s-a decis utilizarea formulelor simplificate pentru a obține o estimare rezonabilă a pierderilor de putere, deși cu aproximații. Într-adevăr, este posibil ca modelele electrice ale componentelor să nu fie disponibile de la producători și să fie dificil sau imposibil de implementat de la zero din cauza lipsei de date de modelare, în timp ce formulele furnizate necesită doar informații de bază din fișele tehnice. Fără a lua în considerare fenomenele secundare, disiparea de putere a invertorului este dominată de pierderile din interiorul rezistoarelor de șuntare P_sh și MOSFET-urilor. Aceste pierderi se datorează conducției P_cond, comutației P_sw și căderii diodei P_dt:

Puterea disipată estimată a fost de 1,303 W pentru fiecare MOSFET și de 0,281 W pentru fiecare rezistor de șuntare.

Simulări termice

Celsius™ permite proiectanților să efectueze simulări care includ o analiză electrică a sistemului, care arată densitățile de curent în trasee și în căi, precum și căderile de tensiune. Aceste simulări necesită ca proiectanții să definească buclele de curent de interes folosind un model de circuit pentru sistem. Modelul adoptat pentru fiecare semi-punte a EVALSTDRIVE101 este prezentat în Figura 3. Acesta constă în două generatoare de curent constant plasate între conectorii de ieșire și de alimentare și trei scurtcircuite care ocolesc MOSFET-urile și rezistorul de șuntare. Cele două bucle de curent asigură o bună potrivire cu curenții medii din cazul real pe toată linia de alimentare și pe planul de masă, în timp ce curentul de pe calea de ieșire este ușor supradimensionat, o condiție de funcționare convenabilă pentru evaluarea robusteții proiectului. Figura 4 și Figura 1 prezintă căderile de tensiune și densitatea de curent ale EVALSTDRIVE101 cu un curent de 15 A_rms. Căderile de tensiune în raport cu referința de masă evidențiază o dispunere deosebit de optimizată, cu o absență a blocajelor și ieșiri bine echilibrate la 28 mV, 25 mV și 23 mV pentru U, V și W. Ieșirea U prezintă cea mai mare cădere de tensiune, în timp ce ieșirea W este cea mai mică dintre cele trei, datorită lungimii mai mici a traseului de la conectorul de alimentare. Curenții sunt bine distribuiți în diferite trasee și au o densitate medie sub 15 A/mm², care este valoarea recomandată pentru dimensionarea traseelor de putere. Unele zone roșii sunt evidențiate în apropierea MOSFET-urilor, a rezistoarelor de șuntare și a conectorilor. Acestea reprezintă o densitate de curent mai mare datorită faptului că bornele componentelor sunt mai mici decât traseele de alimentare de la bază. Cu toate acestea, densitatea maximă a curentului este cu mult sub limita de 50 A/mm², ceea ce ar putea duce, în mod realist, la probleme de fiabilitate.

Figura 3: modelarea buclei de curent. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Simulatorul permite proiectanților să configureze și să ruleze simulări în regim stabil sau tranzitoriu. Primul mod oferă o singură hartă de temperatură 2D pentru straturi și componente, în timp ce al doilea oferă hărți pentru fiecare moment de timp simulat și curbe de încălzire, cu prețul unui timp de simulare mai lung. Setările necesare pentru simularea în regim stabil pot fi aplicate la o simulare în regim tranzitoriu, dar acest lucru necesită, în plus, definirea funcțiilor de disipare a puterii pentru componente. Simulările tranzitorii sunt adecvate atunci când se definesc diferite stări de funcționare a sistemului cu surse de energie care nu sunt active simultan și pentru a evalua timpul necesar pentru a atinge temperatura de stare stabilă.

Figura 4: căderi de tensiune simulate la nivelul stratului interior. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Simulările EVALSTDRIVE101 au fost efectuate la o temperatură ambiantă de 28 °C, cu coeficientul de transfer termic ca și condiție de limită și cu modelele termice cu două rezistoare pentru dispozitive. Aceste modele au fost utilizate în locul modelelor termice detaliate, cum ar fi Delphi, deoarece sunt disponibile direct în fișele tehnice ale componentelor, deși acest lucru sacrifică ușor precizia simulării. Rezultatele în stare stabilă pentru EVALSTDRIVE101 sunt prezentate în Figura 4, iar rezultatele simulării tranzitorii în Figura 5. Funcțiile de putere în trepte au fost utilizate în simularea tranzitorie pentru a activa toate MOSEFT-urile și rezistoarele de șuntare la momentul zero. Simulările au identificat zona de semi-punte U ca fiind cea mai fierbinte zonă a plăcii. MOSFET-ul Q1 (high-side) a avut o temperatură de 94,06 °C, urmat de MOSFET-ul Q4 (low-side), de rezistoarele de șuntare R24 și R23 cu temperaturi de 93,99 °C, 85,34 °C și, respectiv, 85,58 °C.

Figura 5: încălzirea simulată a componentelor semi-punții U. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Configurația caracterizării termice

O caracterizare experimentală a performanțelor termice ale EVALSTDRIVE101 a fost realizată după producție. În loc să se utilizeze un motor conectat la un banc de frânare, s-a luat în considerare un banc de testare echivalent, pentru ușurința implementării, după cum se arată în Figura 6. EVALSTDRIVE101 a fost conectat la o placă de control pentru a genera semnalele de comandă necesare și a fost plasat în interiorul unei cutii de plexiglas pentru a obține răcirea sistemului prin convecție, fără flux de aer accidental. Deasupra cutiei a fost plasată o cameră de termoviziune (model TVS-200 de la Nippon Avionics), care a încadrat placa printr-o gaură în capacul cutiei. O sarcină trifazată a fost conectată la ieșirile plăcii, iar sistemul a fost alimentat la 36 V. Sarcina constă din trei bobine conectate într-o configurație în stea pentru a emula motorul. Fiecare bobină are un curent de saturație de 30 A, o inductanță de 300 µH și o rezistență parazită de numai 25 mΩ. Rezistența parazită scăzută a redus considerabil efectul de încălzire Joule în interiorul bobinelor, în favoarea unui transfer de putere fără pierderi între placă și sarcină. Trei curenți sinusoidali au fost generați în interiorul bobinelor la 15 A_rms prin aplicarea unor tensiuni sinusoidale adecvate prin intermediul plăcii de control. Prin această metodă, etajul de putere a funcționat într-o stare de funcționare foarte apropiată de aplicația finală de acționare a motorului, având avantajul de a nu necesita o buclă de control.

Figura 6: configurația caracterizării termice. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Măsurarea pierderilor de putere

Un factor care afectează calitatea rezultatelor simulării este, cu siguranță, acuratețea datelor privind puterea disipată de fiecare dispozitiv de pe etajul de putere. Aceste date au fost obținute folosind formule simplificate, atât pentru MOSFET-uri, cât și pentru rezistoarele de șuntare, astfel încât au fost introduse aproximări. Măsurătorile au fost efectuate pe placă pentru a evalua eroarea de cuantificare a puterii disipate. Pierderea de putere P_loss a plăcii a fost măsurată ca diferență între puterea de intrare P_in și puterea livrată sarcinii la cele trei ieșiri P^U_out, P^V_out și P^W_out. Măsurătorile au fost efectuate cu ajutorul unui osciloscop (model HDO6104-MS de la Teledyne LeCroy) și prin aplicarea funcțiilor matematice corespunzătoare formelor de undă: mai întâi, s-a calculat produsul punct cu punct al tensiunii și curentului, apoi s-a calculat media puterii pe un număr întreg de cicluri sinusoidale. Tabelul următor prezintă rezultatele măsurătorilor la temperatura ambiantă și în stare caldă atunci când etajul de putere a atins starea stabilă. De asemenea, este furnizată valoarea totală a puterii disipate de placă, estimată anterior prin formule.

Rezultatele arată o potrivire foarte bună între măsurători și estimări, ceea ce este în concordanță cu aproximările introduse. Formulele supraestimează măsurătorile la temperatura ambiantă cu 1,5%, ceea ce reprezintă o subestimare de aproximativ 3,9% în comparație cu datele în condiții de căldură. Acest rezultat este în concordanță cu variabilitatea asociată cu rezistența la pornire a MOSFET-urilor și a rezistoarelor de șuntare, deoarece în calcule au fost utilizate valori nominale. Așa cum era de așteptat, toate valorile de putere au fost mai mari la temperatură ridicată decât la temperatura ambiantă, datorită creșterii rezistențelor bobinelor și MOSFET-urilor odată cu temperatura. De asemenea, datele arată o diferență între puterile măsurate pentru cele trei ieșiri. Acest efect se datorează dezechilibrării sarcinii trifazate, din cauza valorilor ușor diferite pentru L și R de la o bobină la alta. Totuși, acest efect are un rol marginal, deoarece decalajul observat este mai mic decât cel dintre măsurători și estimare.

Rezultatele privind temperatura

Generarea de curenți sinusoidali în sarcină și achiziția de imagini termice de către camera de termoviziune au fost activate simultan. Camera de termoviziune a fost configurată anterior pentru a colecta imagini termice la fiecare 15 secunde și pentru a include în fiecare captură trei indicatori de temperatură pentru componentele Q1, Q4 și R23. Sistemul a rămas activ până la atingerea stării stabile, după aproximativ 25 de minute. Temperatura ambiantă detectată în interiorul cutiei la sfârșitul testului a fost de aproximativ 28 °C. Figura 7 prezintă tranzitul de încălzire a plăcii, care a fost derivat din indicatorii de temperatură, iar Figura 8 prezintă temperaturile finale de pe placă.  Măsurătorile au arătat că MOSFET-ul Q1 a fost cea mai fierbinte componentă de pe întreaga placă, cu o temperatură de 93,8 °C, în timp ce MOSFET-ul Q4 și rezistorul R23 au atins 91,7 °C și, respectiv, 82,6 °C. După cum s-a discutat anterior, Celsius™ a simulat temperatura MOSFET-ului Q1 la 94,06 °C, temperatura MOSFET-ului Q4 la 93,99 °C și temperatura R23 la 85,58 °C, ceea ce este o potrivire foarte bună cu măsurătorile. Aceeași concordanță poate fi găsită și în ceea ce privește constanta de timp a valorii tranzitorii de încălzire, după cum se poate observa cu ușurință din comparația directă a Figurii 5 cu Figura 7.

Figura 7: încălzirea măsurată a componentelor semi-punții U. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Figura 8: temperaturile măsurate ale stratului superior în stare stabilă. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Rezumat

STMicroelectronics a lansat recent placa de evaluare EVALSTDRIVE101, care a fost proiectată prin aplicarea avantajelor oferite de Cadence® Celsius™ Thermal Solver. Placa este destinată controlului motoarelor fără perii trifazate de mare putere și de joasă tensiune, în funcție de necesitățile aplicațiilor alimentate cu baterii. Acesta include un etaj de putere compact de 50 cm² care poate furniza motorului un curent de peste 15 A_rms fără radiator sau răcire suplimentară. Folosind diferite caracteristici de simulare încorporate în simulatorul termic, a fost posibil nu numai să se prevadă profilul de temperatură al plăcii și punctele fierbinți ale acesteia pe componentele etajului de putere, ci și să se obțină o descriere detaliată a căderilor de tensiune și a densității de curent de-a lungul traseelor de putere, care ar putea fi dificil sau imposibil de obținut prin măsurători experimentale. Rezultatele simulării au permis o optimizare rapidă a dispunerii plăcii, ajustând amplasarea și corectând punctele slabe ale dispunerii, de la începutul proiectării până la aprobare. O caracterizare termică cu o cameră cu infraroșu a arătat o bună concordanță între temperaturile simulate și cele măsurate în stare stabilă, precum și profilul tranzitoriu al temperaturii, dovedind performanța remarcabilă a plăcii și eficacitatea simulatorului termic de a-i ajuta pe proiectanți să reducă marja de proiectare și să obțină un timp rapid de introducere pe piață.