Slik optimaliserer du BLDC-motorens termiske ytelse i utfordrende miljøer

Børsteløse DC-motorer/likestrømsmotorer (BLDC – brushless direct current) brukes i økende grad under krevende termiske forhold i bilindustrien, for eksempel elbiler (EV – electric vehicle), og i industrielle konstruksjoner som robotikk og produksjonsutstyr. Effektiv varmestyring er en viktig faktor for konstruktører, slik at de kan sikre pålitelig drift av BLDC-motordriveren. Derfor må de være spesielt oppmerksomme på de kraftige MOSFET-ene og gate-driver-IC-ene med hensyn til vekslingsfrekvens, virkningsgrad, driftstemperaturområde og formfaktor, samtidig som de må sørge for at de er kvalifisert for standardene AEC-Q101, PPAP (Production Part Approval Process) og IATF (International Automotive Task Force) 16949:2016, der det er aktuelt.

I tillegg bør gate-driverne være kompatible med standard transistor-transistor-logikk (TTL) og CMOS-spenningsnivåer for å forenkle tilkobling til mikrokontrollere (MCU – microcontroller unit). De må også være i stand til å beskytte MOSFET-er mot ulike feiltilstander, og de må ha godt samsvarende forplantningsforsinkelser for å støtte effektiv høyfrekvent drift.

For å møte disse behovene kan konstruktører sammenkoble doble N-kanals MOSFET-er i forsterkningsmodus med høyfrekvente gate-driver-IC-er for å produsere kompakte, effektive løsninger.

Denne artikkelen begynner med en oversikt over varmestyringsfaktorer når BLDC-motordrivere utvikles, og oppsummerer deretter kort kravene i AEC-Q101, PPAP og IATF 16949:2016. Deretter presenterer den eksempler på høyytelses doble N-kanals MOSFET-er i forsterkningsmodus og samsvarende gate-driver-IC-er fra Diodes, Inc. som er egnet for kjøretøyrelaterte og industrielle BLDC-motordriftssystemer. Artikkelen avslutter med å ta for seg faktorer rundt kretskortlayout for BLDC-drivkretser, som omfatter minimering av elektromagnetisk interferens (EMI) og optimalisering av termisk ytelse.

BLDC-er og kommutering (strømvending)

Hovedforskjellen mellom BLDC-er og børstemotorer er at mikrokontrollerstyring er nødvendig med BLDC-er for å oppnå kommutering. Dette krever evnen til å detektere rotasjonsposisjonen til rotoren. Posisjonsdeteksjon kan oppnås ved å bruke strømfølende motstander eller Hall-effektsensorer. Plassering av Hall-effektsensorer inne i motoren – adskilt med 120°– er en vanlig, nøyaktig og effektiv måte å implementere posisjonsdeteksjon på.

Fremgangsmåten innebærer å bruke en brokonfigurasjon som består av seks effekt-MOSFET-er for å drive en trefaset BLDC-motor. Hall-effekt-sensorene produserer digitale signaler som mikrokontrolleren bruker til å fastsette motorens posisjon, og produserer deretter drivsignalene som trengs for å veksle MOSFET-ene i den nødvendige sekvensen og med den ønskede hastigheten for å styre motordriften (figur 1). Styrbarhet er en essensiell fordel ved å bruke BLDC-motorer.

Figur 1: I en trefaset BLDC-motor, leverer tre Hall-effekt-sensorer posisjonsinformasjonen som trengs for å styre vekslingen av de seks effekt-MOSFET-ene. (Bildekilde: Diodes, Inc.)

Håndtering av forplantningsforsinkelse

Styresignalene som produseres av mikrokontrolleren er for svake til å direkte drive effekt-MOSFET-ene, derfor brukes en gate-driver-IC til å forsterke mikrokontrollerens signaler. Innføringen av gate-driver-IC-en introduserer imidlertid også en viss grad av forplantningsforsinkelse i styresignalene. I tillegg har de to kanalene i en halvbro-gate-driver litt forskjellige responstider, noe som resulterer i usymmetrisk forplantningsforsinkelse. I verste fall kan høysidebryteren slås på før lavsidebryteren er helt av, noe som resulterer i at begge bryterne leder samtidig. Hvis dette skjer, vil det oppstå kortslutning og motordriveren eller motoren kan bli skadet eller ødelagt.

Det er et par måter å håndtere problemer med forplantningsforsinkelse på. En involverer å bruke en rask mikrokontroller som kan reagere raskt nok til å kompensere for forplantningsforsinkelsen. To potensielle problemer med denne tilnærmingen er at den krever en dyrere mikrokontroller, og mikrokontrolleren introduserer et bånd med dødtid i vekslingsprosessen for å sikre at de to bryterne aldri er på samtidig. Denne dødtiden forsinker den generelle vekslingsprosessen.

Det foretrukne alternativet i de fleste konstruksjoner er å bruke en gate-driver med kort forplantningsforsinkelse. Høyytelses gate-driver-IC-er inkluderer også logikk for forhindring av krysskonduksjon for å ytterligere forbedre påliteligheten til systemet (figur 2).

Figur 2: Høyytelses gate-driver-IC-er inkluderer logikk for forhindring av krysskonduksjon (midten til venstre) i tillegg til å ha minimale forplantningsforsinkelser. (Bildekilde: Diodes, Inc.)

Slik kan ting holdes kalde

Sikker og presis drift av effekt-MOSFET-ene er avgjørende for pålitelig drift av BLDC-motorer, i tillegg til å holde MOSFET-ene kalde. To viktige spesifikasjoner knyttet til termisk styring for effekthalvledere, er termisk motstand mellom koblingspunkt og kabinett (R_θJC) og termisk motstand mellom koblingspunkt og omgivelsene (R_θJA). Begge uttrykkes i grader Celsius per watt (°C/W). R_θJC er spesifikk for enheten og kapslingen. Det er en fast mengde som avhenger av faktorer som platestørrelse, platefestemateriale og kapslingens termiske egenskaper.

R_θJA er et mer ekspansivt konsept: Det omfatter R_θJC pluss loddeforbindelsen og kjøleribbens temperaturkoeffisienter. For effekt-MOSFET-er, kan R_θJA være ti ganger større enn R_θJC. Det er svært viktig å holde MOSFET-kapslingens (kabinett) temperatur (T_C) under kontroll (figur 3). Dette betyr at faktorer som kortlayout og varmeavledning er svært viktig når en varmestyringsløsning utvikles for effekt-MOSFET-er. Nesten all varme som genereres i MOSFET-en vil avledes gjennom kobberplaten/kjøleribben på kretskortet.

Figur 3: R_θJA er en viktig måling for varmeavledning, og den kan være en ti ganger større enn R_θJC. (Bildekilde: Diodes, Inc.)

Standarder for bilindustrien

For å kunne brukes i konstruksjoner for bilindustrien, må enhetene også oppfylle én eller flere industristandarder, deriblant AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP og IATF 16949:2016. AEC-Q100 og AEC-Q101 er pålitelighetsstandarder for halvlederenheter som brukes i kjøretøyrelaterte konstruksjoner. PAPP er en dokumentasjons- og sporingsstandard, og IATF 16949:2016 er en ISO 9001-basert kvalitetsstandard. Nærmere bestemt:

AEC-Q100 er en feilmekanisme-basert stresstest for innkapslede IC-er og inkluderer fire omgivelsestemperaturområder eller -klasser:

• Klasse 0: –40 °C to +150 °C
• Klasse 1: –40 °C to +125 °C
• Klasse 2: –40 °C to +105 °C
• Klasse 3: –40 °C to +85 °C

AEC-Q101 definerer minimumskrav og -betingelser under stresstesting for frittstående enheter som MOSFET-er, og spesifiserer drift fra –40 °C til +125 °C.

PPAP er en 18-trinns godkjenningsprosess for nye eller reviderte komponenter. Den er konstruert for å sikre at komponentene konsekvent oppfyller spesifiserte krav. PPAP har fem standardnivåer for innlevering, og kravene forhandles mellom leverandør og kunde.

IATF 16949:2016 er et kvalitetssystem for bilindustrien basert på ISO 9001 og kundespesifikke krav fra bilindustrisektoren. Denne standarden krever sertifisering av en tredjeparts revisor.

Doble effekt-MOSFET-er

For å implementere en effektiv BLDC-motordriver, kan konstruktører bruke doble N-kanals FET-er i forsterkningsmodus, for eksempel Diodes Inc. sin DMTH6010LPD-13 for industrielle konstruksjoner og DMTH6010LPDQ-13 som er kvalifisert i henhold til AEC-Q101 for utrustninger i kjøretøy. Begge delene støttes av en PPAP og produseres i IATF 16949-sertifiserte anlegg. Disse MOSFET-ene har lav inngangskapasitans (C_iss) på 2615 pikofarad (pF) for å støtte raske vekslingshastigheter, og lav på-motstand (R_DS(on)) på 11 milliohm (mΩ) for å gi høy omformingsvirkningsgrad, noe som gjør dem egnet for høyfrekvente, høyeffektive konstruksjoner. Enhetene har en 10-volts gate-driver, er klassifisert for drift i temperaturer på opptil +175 °C og kommer i en 5 x 6 mm PowerDI5060-8-kapsling med stor drain-plate som gir høy varmeavledning (figur 4). Termiske spesifikasjoner omfatter:

• Stabil tilstand (Steady State) R_θJA på 53 °C/W, der enheten er montert på FR-4-kretskort med 57 gram (2 oz) kobber og har termiske baner til et bunnsjikt som omfatter en firkantet kobberplate på 25 mm (1 tomme)
• R_θJC på 4 °C/W
• Klassifisert til +175 °C

Figur 4: DMTH6010LPD-13 og DMTH6010LPDQ-13 bruker den store drain-platen på PowerDI5060-8-kapslingen for å kunne håndtere høy varmeavledning. (Bildekilde: Diodes, Inc.)

Dobbel MOSFET-gate-driver

For å drive doble effekt-MOSFET-er kan konstruktører bruke én av to tilgjengelige gate-drivere med halvbro: DGD05473FN-7 for industrielle konstruksjoner eller den AEC-Q100-kvalifiserte DGD05473FNQ-7 for systemer i kjøretøy. Disse driverne støttes også av en PPAP og produseres i IATF 16949-sertifiserte anlegg. Inngangene er kompatible med TTL- og CMOS-nivåer (ned til 3,3 volt) for å forenkle tilkoblingen til en mikrokontroller, og den jordingsfrie (floating) høysidedriveren er klassifisert for 50 volt. Beskyttelsesfunksjoner inkluderer UVLO og logikk for forhindring av krysskonduksjon (se figur 2 igjen). Den integrerte bootstrap-dioden bidrar til å minimere plassbruk på kretskortet. Andre funksjoner omfatter:

• Forplantningsforsinkelse på 20 nanosekunder (ns)
• Maksimal forsinkelsessamsvaring (delay matching) på 5 ns
• Maksimal drivstrøm på 1,5 ampere (A) source og 2,5 A sink
• Standby-strøm på under 1 mikroampere (µA)
• AEC-Q100 klasse 1 driftstemperaturområde på –40 °C til +125 °C

Faktorer rundt varme og elektromagnetisk interferens (EMI)

Anbefalt fremgangsmåte for kortlayout, ved å bruke MOSFET-ene og driver-IC-ene beskrevet ovenfor, innebærer å kombinere en kompakt konstruksjon med de største praktiske kobberområdene for MOSFET-ene for å sikre best mulig varmeavledning. Den kompakte konstruksjonen vil minimere sløyfeområder, mens korte ledninger vil minimere elektromagnetisk interferens og redusere problemer knyttet til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC).

For å ytterligere forbedre elektromagnetisk kompatibilitet og termisk ytelse, bør et solid internt horisontalt projeksjonsplan og en ekstra strømflate på bunnen inkluderes i kretskortet. I tillegg bør et separat indre lag brukes for signallinjer.

MOSFET-kapslingen har stor innvirkning på den termiske ytelsen. Vi ser vi på tre alternativer – PowerDI5060-8, PowerDI3333-8 på 3 mm x 3 mm og DFN2020-6 på 2 mm x 2 mm – der PowerDI5060 med den største drain-platen støtter det høyeste strømforbruket, opptil 2,12 watt (figur 5).

Figur 5: PowerDI5060 (blå linje) avleder mer effekt sammenlignet med de to mindre kapslingene. (Bildekilde: Diodes, Inc.)

Konklusjon

Doble effekt-MOSFET-er i termisk effektive kapslinger kan kombineres med samsvarende gate-driver-IC-er for å produsere kompakte BLDC-motordrivere med høy ytelse for utrustninger i kjøretøy og industrielle bruksområder. Disse løsningene kan oppfylle AEC-, PPAP- og IATF-standarder for pålitelighet, dokumentasjon og kvalitet. Ved å bruke anbefalt fremgangsmåte for kretskortlayout, kan enhetene brukes til å hjelpe konstruktører oppnå den beste varme- og EMC-ytelsen for BLDC-motordriverens implementering.

Anbefalt lesing

1. Bruk sensorfri vektorstyring med BLDC- og PMS-motorer til å levere nøyaktig bevegelsesstyring
2. Hva slags pulsgiverfunksjoner øker robustheten? Faststoffelektronikk (solid-state electronics), kanskje?
3. Slik velges og brukes vinkelsensorer for servostyring, motorer og robotikk