Omformerkort med høy effekt og termisk bevissthet for batteridrevne konstruksjoner

I dag kan batteridrevne løsninger med motordrift vanligvis levere effekt på hundrevis av watt med svært lave driftsspenninger. I slike konstruksjoner anses riktig styring av strømflyten gjennom elektronikken som driver motoren å være nødvendig for å sikre generell systemeffektivitet og pålitelighet. Faktisk kan motorstrømmer overstige flere titalls ampere, noe som fører til økt effekttap inne i inverteren. Mer effekt til inverterkomponentene resulterer i høyere temperaturer, ytelsesforringelse og til og med plutselige brudd de maksimalt tillatte verdiene overgås. Optimaliseringen av termisk ytelse, i kombinasjon med et kompakt format, er et viktig aspekt under inverterens designfase som kan skjule fallgruver hvis dette ikke håndteres riktig. En løsning på dette problemet har vært produksjonen av prototyper som gradvis har blitt raffinert ved hjelp av validering ute i felten. Elektriske og termiske evalueringer ble imidlertid fullstendig atskilt, og elektrisk-termiske koblingseffekter ble aldri tatt fatt på under designfasen. Dette resulterte vanligvis i flere iterasjoner og lange perioder før det ferdige produktet kom ut på markedet. En mer effektiv, alternativ måte er tilgjengelig for å optimalisere den elektrotermiske ytelsen til motorstyringssystemer ved å dra nytte av moderne simuleringsteknologier. Cadence® Celsius™ Thermal Solver, industriledende elektrisk-termisk ko-simuleringsprogramvare for systemanalyse, leverer på bare noen få minutter en global og nøyaktig vurdering av konstruksjonsytelsen, fra både et elektrisk og termisk perspektiv. STMicroelectronics, som er en ledende produsent av integrerte kretser (IC-er) for industriell motorstyring, finjusterte EVALSTDRIVE101-evalueringskortet ved hjelp av Celsius™. Resultatet er en inverter for trefasede børsteløse motorer som kan drive strøm på opptil 15 A_rms, og som kan brukes som referanse av de endelige konstruksjonsutviklerne. I denne artikkelen benytter vi anledningen til å beskrive arbeidsflyten som gjorde det mulig for STMicroelectronics å sette EVALSTDRIVE101 i produksjon, og redusere innsatsen som trengs for termisk optimalisering.

EVALSTDRIVE101

EVALSTDRIVE101 er basert på STDRIVE101, en 75 V trippel halvbro-gatedriver med beskyttelse som kommer i en firedobbel flat kapsling uten ledninger (QFN – quad flat no-lead) på 4x4 mm, som er en perfekt passform for batteridrevne løsninger og seks STL110N10F7 effekt-MOSFET-er arrangert i tre halvbroer. Celsius™ forenklet dramatisk optimaliseringsprosessen for EVALSTDRIVE101, og oppnådde en kompakt og pålitelig konstruksjon på kort tid. Simuleringsresultater, som vi vil ta nærmere for oss senere, ble brukt til å gjentagende justere komponentplasseringer, raffinere former av plan og spor, modifisere lagtykkelse og legge til eller fjerne baner for å oppnå den produksjonsklare versjonen av inverteren. Den optimaliserte EVALSTDRIVE101-layouten består av fire lag med 57 g (2 oz) kobber, en bredde på 11,4 cm og en høyde på 9 cm som kan forsyne opptil 15 A_rms strøm til lasten ved å bruke en batterispenning på 36 V. Fra et termisk perspektiv, er den mest kritiske delen av EVALSTDRIVE101 effekttrinnområdet, som hovedsakelig inkluderer effekt-MOSFET-er, shuntmotstander, keramiske forbikoblingskondensatorer, elektrolytiske bulk-kondensatorer og kontakter. Layouten til denne delen ble kraftig krympet for å kun dekke halvparten av den totale kortstørrelsen, dvs. 50 cm². I denne forbindelsen ble det lagt særlig vekt på plassering og ruting av MOSFET-er, siden disse komponentene er ansvarlige for de fleste effekttap under drift av invertere. Kobberområdet på alle MOSFET-utløpsterminaler ble maksimert på det øverste laget og duplisert og forstørret der det var mulig for andre lag for å forbedre varmeoverføringen mot bunnen av kortets overflate. På denne måten bidrar både topp- og bunnflater på kortet effektivt til varmeavledning ved hjelp av naturlig konveksjon og stråling. Elektrisk og termisk forbindelse mellom ulike lag ble gitt av baner med diameter på 0,5 mm som letter luftstrømmen og forbedrer kjølingen. Et rutenett av baner er plassert rett under de eksponerte putene til MOSFET-ene, men diameteren deres ble redusert til 0,3 mm for å forhindre påsmelting av loddepasta i hullene.

Anslag over effekttap

Figur 1: Simulert strømtetthet i topplaget. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Figur 2: Simulert temperatur i stabil tilstand for topplaget. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Termisk optimalisering av EVALSTDRIVE101 startet fra et estimat av strømmen som ble avledet av inverteren under driften, som var én inngang på den termiske simulatoren. Invertertapene kan deles i to bidrag: De som skyldes Joule-effekten i kortsporene og de som skyldes elektroniske komponenter. Selv om Celsius™ kan nøyaktig fastsette strømtettheter og korttap direkte ved å importere layoutdata, må tapene forårsaket av elektroniske komponenter beregnes. Selv om en kretssimulator kan gi svært nøyaktige resultater, ble det besluttet at forenklede formler skulle brukes for å oppnå et rimelig estimat av strømtapene, men med tilnærminger. Elektriske modeller av komponenter kan være utilgjengelige for produsenter og vanskelige eller svært vanskelige å implementere fra bunnen av på grunn av mangel på modelleringsdata, mens formler kun krever grunnleggende informasjon fra datablader. Hvis man utelater sekundære fenomener, domineres inverterens effekttap av tap inne i shuntmotstandene P_sh og MOSFET-ene. Disse tapene er ved konduksjon P_cond, veksling P_sw og diodefall P_dt:

Estimert effekttap var 1,303 W for hver MOSFET og 0,281 W for hver shuntmotstand.

Termiske simuleringer

Med Celsius™ kan utviklere utføre simuleringer som omfatter en elektrisk analyse av systemet som viser strømtetthet i spor og baner, samt spenningsfall. Disse simuleringene krever at teknikere definerer strømsløyfer av interesse ved å bruke en kretsmodell for systemet. Modellen som er valgt for hver halvbro i EVALSTDRIVE101, er vist i figur 3. Den består av to konstantstrømgeneratorer plassert mellom kontaktene for utgangen og strømforsyningen, og tre kortslutninger som forbikobler MOSFET-ene og shuntmotstanden. De to strømsløyfene gir god sammenkobling med reelle gjennomsnittlige strømmer gjennom hele forsyningsskinnen og jordplanet, mens utgangsstrømmen er litt overdimensjonert, noe som er en praktisk driftstilstand når konstruksjonsrobusthet skal evalueres. Figur 4 og figur 1 viser spenningsfallet og strømtettheten til EVALSTDRIVE101 med en strøm på 15 A_rms. Spenningsfall med hensyn til jordreferanse fremhever en særlig optimalisert layout med fravær av flaskehalser og velbalanserte utganger på 28 mV, 25 mV og 23 mV for U, V og W. Utgang U viser det høyeste spenningsfallet, mens utgang W viser den laveste av de tre på grunn av den kortere banelengden fra strømkontakten. Strømmene er godt fordelt i de forskjellige banene og har en gjennomsnittlig tetthet på under 15 A/mm², noe som er den anbefalte verdien for effektsporstørrelse. Noen røde områder er fremhevet i nærheten av MOSFET-ene, shuntmotstandene og kontaktene. Disse representerer en høyere strømtetthet fordi komponentenes terminaler er mindre enn de underliggende effektsporene. Maksimal strømtetthet er imidlertid langt under grensen på 50 A/mm², noe som realistisk sett kan føre til pålitelighetsproblemer.

Figur 3: Strømsløyfemodellering. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Simulatoren gjør det mulig for teknikere å konfigurere og kjøre simuleringer med stabil eller forbigående tilstand. Førstnevnte gir et enkelt 2D-temperaturkart for lag og komponenter, mens sistnevnte gir kart for hver simulert tidsinstans og oppvarmingskurver, der kostnaden er lengre simuleringstid. Innstillinger som er nødvendig for simulering ved stabil tilstand kan påføres en forbigående simulering, men dette krever i tillegg definisjonen av effekttapsfunksjoner for komponentene. Forbigående simuleringer er gunstige når forskjellige driftstilstander for systemet skal defineres med strømkilder som ikke er aktive samtidig, og for å vurdere tiden som trengs for å oppnå temperatur med stabil tilstand.

Figur 4: Simulert spenningsfall i det indre laget. (Bildekilde: STMicroelectronics)

EVALSTDRIVE101-simuleringer ble utført ved en omgivelsestemperatur på 28 °C, der varmeoverføringskoeffisienten er grensebetingelsene og de to-motstands termiske modellene for enhetene. Disse modellene ble brukt i stedet for detaljerte termiske modeller som Delphi, siden de er direkte tilgjengelige i komponentenes datablader, selv om dette ofrer litt av simuleringsnøyaktigheten. Resultater fra stabil tilstand for EVALSTDRIVE101 er gitt i figur 4 og resultater for forbigående simulering i figur 5. Trinneffektsfunksjoner ble brukt i den forbigående simuleringen for å aktivere alle MOSFET-er og shuntmotstander på nulltidspunktet. Simuleringer identifiserte U-halvbroområdet som den varmeste delen på kortet. Q1 MOSFET-en (høy-side) var ved 94,06 °C etterfulgt av Q4 MOSFET-en (lav-side), R24- og R23-shuntmotstander med temperaturer på henholdsvis 93,99 °C, 85,34 °C og 85,58 °C.

Figur 5: Simulerte U-halvbrokomponenter som varmes opp. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Oppsett for termisk karakteristikk

En eksperimentell karakterisering av den termiske ytelsen til EVALSTDRIVE101 ble gjort etter produksjon. I stedet for å bruke en motor koblet til en bremsebenk, ble en tilsvarende testbenk vurdert for enkel gjennomføring, som vist på figur 6. EVALSTDRIVE101 ble koblet til et styringskort for å generere de nødvendige kjøresignalene og plassert i en pleksiglassboks for å oppnå systemkjøling via konveksjon uten utilsiktet luftstrøm. Et termisk termografikamera (modell TVS-200 av Nippon Avionics) var plassert over boksen, som rammet inn kortet gjennom et hull i boksens deksel. En trefaset last ble koblet til kortutgangene og systemet ble forsynt med 36 V. Lasten består av tre spoler viklet i stjernekonfigurasjon for å emulere motoren. Hver spole har en metningsstrøm på 30 A, 300 µH induktans og en parasittisk motstand på kun 25 mΩ. Den lave parasittmotstanden reduserte Joule-oppvarmingseffekten i spolene betraktelig til fordel for en tapsfri strømoverføring mellom kortet og lasten. Tre sinusformede strømmer ble generert i spolene ved 15 A_rms ved å påføre riktige sinusformede spenninger via styringskortet. Med denne metoden fungerte effekttrinnet i en driftstilstand som var svært likt den endelige motordriftskonstruksjonen, med fordelen av at det ikke kreves en styringssløyfe.

Figur 6: Oppsett for termisk karakteristikk. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Måling av effekttap

En faktor som påvirker kvaliteten til simuleringsresultatene, er utvilsomt datanøyaktigheten til effekttapet til hver enhet på effekttrinnet. Disse dataene ble innhentet ved å bruke forenklede formler for både MOSFET-er og shuntmotstander, og dermed ble tilnærminger innført. Måling ble gjort på kortet for å evaluere feilen i å kvantifisere den avledede effekten. Effekttapet P_loss for kortet ble målt som forskjellen mellom inngangseffekten P_in og effekten som forsynes til lasten ved de tre utgangene P^U_out, P^V_out og P^W_out. Målingen ble gjort ved hjelp av et oscilloskop (modell HDO6104-MS fra Teledyne LeCroy) og ved å bruke de riktige matematiske funksjonene til bølgeformene: Først ble punkt-for-punkt-produktet til spenningen og strømmen beregnet, deretter ble effekten gjennomsnittlig beregnet over et helt antall sinusformede sykluser. Følgende tabell viser måleresultatene ved omgivelsestemperatur og i varm tilstand når effekttrinnet har nådd stabil tilstand. Den samlede verdien av effekttap fra kortet, som tidligere ble anslått ved hjelp av formler, er også angitt.

Resultatene viser svært godt samsvar mellom målinger og estimater, noe som er i tråd med innførte tilnærminger. En overestimering av målingen ved romtemperatur på 1,5 % gjøres av formlene, som gir en omtrentlig underestimering på 3,9 % sammenlignet med data for varm tilstand. Dette resultatet er i tråd med variasjonen forbundet med på-motstanden til MOSFET-ene og shuntmotstandene siden nominelle verdier ble brukt i beregningene. Som forventet var alle effektverdier høyere ved varmt enn ved romtemperatur, på grunn av økningen i spolenes og MOSFET-enes motstand med temperaturen. Dataene viser også en forskjell mellom de målte effektene til de tre utgangene. Denne effekten skyldes ubalansering av den trefasede lasten, på grunn av litt forskjellige verdier for L og R fra spole til spole. Denne virkningen spiller imidlertid en marginal rolle ettersom det observerte avviket er lavere enn det som er observert mellom målingene og anslaget.

Temperaturresultater

Genereringen av sinusformede strømmer i lasten og innsamlingen av termiske bilder av termografikameraet ble aktivert samtidig. Termografikameraet ble tidligere konfigurert til å samle inn termiske bilder hvert 15. sekund og til å inkludere tre temperaturmarkører for komponentene Q1, Q4 og R23 i hvert opptak. Systemet forble aktivt inntil stabil tilstand ble nådd etter ca. 25 minutter. Omgivelsestemperaturen som ble detektert inne i boksen på slutten av testen var omtrent 28 °C. Figur 7 viser oppvarmingstransienten på kortet som ble utledet fra temperaturmarkører og figur 8 viser de endelige temperaturene på kortet. Målingen viste at Q1 MOSFET-en var den varmeste komponenten på hele kortet med en temperatur på 93,8 °C, mens Q4 MOSFET-en og R23-motstanden nådde henholdsvis 91,7 °C og 82,6 °C. Som vi tidligere tok for oss, simulerte Celsius™ Q1 MOSFET-temperaturen ved 94,06 °C, Q4 MOSFET-temperaturen ved 93,99 °C og R23-temperaturen ved 85,58 °C, noe som ga svært godt samsvar med målinger. Samme overenskomst kan også finnes i tidskonstanten for forbigående oppvarming, noe som lett kan ses ved direkte sammenligning av figur 5 med figur 7.

Figur 7: Målte U-halvbrokomponenter som varmes opp. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Figur 8: Målt temperatur i stabil tilstand for topplaget. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Sammendrag

STMicroelectronics lanserte nylig EVALSTDRIVE101-evalueringskortet, som ble utviklet ved å dra nytte av Cadence® Celsius™ Thermal Solver. Kortet retter seg mot trefaset børsteløs motorstyring med høy effekt og lav spenning, etter behov fra batteridrevne konstruksjoner. Det inkluderer et kompakt effekttrinn på 50 cm² som kan forsyne over 15 A_rms strøm til motoren uten noe kjøleelement eller ekstra kjøling. Ved å bruke forskjellige simuleringsfunksjoner innebygd i den termiske simulatoren, var det mulig å ikke bare forutse temperaturprofilen til kortet og dets varme punkter på effekttrinnets komponenter, men også å få en detaljert beskrivelse av spenningsfall og strømtetthet langs effektspor, noe som kan være vanskelig eller ikke mulig å oppnå i det hele tatt ved å bruke eksperimentelle målinger. Simuleringsutganger muliggjorde rask optimalisering av kortlayout, justering av plassering og korrigering av svakheter i layouten fra tidlig i designfasen til ferdig produkt. En termisk karakterisering med et infrarødt kamera viste den gode overenskomsten mellom simulerte og målte temperaturer ved stabil tilstand, samt den forbigående temperaturprofilen, noe som beviser kortets enestående ytelse og den termiske simulatorens effektivitet når det kommer til å hjelpe teknikere med å redusere designmarginen og få produktet ut på markedet.