Hoe de thermische prestaties van BLDC-motors in veeleisende omgevingen te optimaliseren

Borstelloze gelijkstroommotorz (BLDC) worden steeds vaker gebruikt onder veeleisende thermische omstandigheden in auto-omgevingen zoals elektrische voertuigen (EV's) en in industriële toepassingen zoals robotica en productieapparatuur. Voor ontwerpers is een doeltreffend thermisch beheer van cruciaal belang om de betrouwbare werking van aandrijvingen met BLDC-motors te garanderen. Daartoe moeten zij bijzondere aandacht besteden aan de power MOSFET's en gatedriver-IC's met betrekking tot schakelfrequentie, efficiëntie, bedrijfstemperatuurbereik en vormfactor, en er tevens voor zorgen dat zij voldoen aan kwalificaties zoals AEC-Q101, Production Part Approval Process (PPAP) en International Automotive Task Force (IATF) standaard 16949:2016, indien van toepassing.

Bovendien moeten de gatedrivers compatibel zijn met standaard transistor-transistor-logica (TTL) en CMOS-spanningsniveaus om de interface met microcontrollers (MCU's) te vereenvoudigen. Zij moeten ook in staat zijn de MOSFET's te beschermen tegen diverse storingen, en zij moeten goed afgestemde voortplantingsvertragingen hebben om een efficiënte hoogfrequente werking te ondersteunen.

Om aan deze behoeften te voldoen, kunnen ontwerpers dubbele N-kanaals MOSFET's met hoogfrequente gatedrive- IC's combineren tot compacte, efficiënte oplossingen.

Dit artikel begint met een overzicht van overwegingen inzake thermisch beheer bij het ontwerpen van aandrijvingen voor BLDC-motors, en geeft vervolgens een korte samenvatting van de vereisten van AEC-Q101, PPAP en IATF 16949:2016. Vervolgens worden voorbeelden gegeven van krachtige dubbel N-kanaals MOSFET's met versterkingsmodus en bijbehorende gatedriver-IC's van Diodes, Inc. die geschikt zijn voor automotive en industriële BLDC-motoraandrijfsystemen. Het artikel sluit af met een bespreking van de lay-out van printplaten voor BLDC-schakelingen, met inbegrip van minimalisering van elektromagnetische interferentie (EMI) en optimalisering van de thermische prestaties.

BLDC's en commutatie

Het belangrijkste verschil tussen BLDC's en borstelmotors is dat bij BLDC's MCU-besturing nodig is om commutatie te bewerkstelligen. Dit vereist het vermogen om de rotatiepositie van de rotor te detecteren. Positiedetectie kan plaatsvinden met behulp van stroomgevoelige weerstanden of Hall-effectsensors. Het plaatsen van Hall-effectsensors in de motor - 120° gescheiden - is een gebruikelijke, nauwkeurige en efficiënte manier om positiebepaling toe te passen.

De methode omvat het gebruik van een brugconfiguratie van zes vermogens-MOSFET's om een driefasen BLDC-motor aan te drijven. De Hall-effectsensors produceren digitale signalen die de MCU gebruikt om de positie van de motor te bepalen, en produceren vervolgens de aandrijfsignalen om de MOSFET's in de vereiste volgorde en met de gewenste snelheid te schakelen om de werking van de motor te regelen (Afbeelding 1). Controleerbaarheid is een belangrijk voordeel van het gebruik van BLDC-motors.

Afbeelding 1: In een driefasen BLDC-motor leveren drie Hall-effectsensors de positie-informatie die nodig is om het schakelen van de zes vermogens-MOSFET's te regelen. (Bron afbeelding: Diodes, Inc.)

Omgaan met propagatievertraging

De stuursignalen van de MCU zijn te zwak om de vermogens-MOSFET's rechtstreeks aan te sturen, dus wordt een gatedriver-IC gebruikt om de signalen van de MCU te versterken. De invoering van de gatedriver-IC leidt echter ook tot een zekere propagatievertraging van de besturingssignalen. Bovendien hebben de twee kanalen in een half brug gatedriver enigszins verschillende reactietijden, die leiden tot een scheefstand in de propagatievertraging. In het slechtste geval kan de schakelaar aan de hoge kant worden ingeschakeld voordat de schakelaar aan de lage kant volledig is uitgeschakeld, waardoor beide schakelaars tegelijkertijd geleiden. Als dit gebeurt, ontstaat er kortsluiting en kan de motoraandrijving of de motor beschadigd of vernield worden.

Er zijn een paar manieren om problemen met propagatievertraging aan te pakken. Eén daarvan betreft het gebruik van een snelle MCU die snel genoeg kan reageren om de propagatievertraging te compenseren. Twee potentiële problemen met die aanpak zijn dat een duurdere MCU nodig is, en dat de MCU een dode-tijd-band in het schakelproces introduceert om ervoor te zorgen dat de twee schakelaars nooit tegelijk aan staan. Deze dode tijd vertraagt het totale schakelproces.

In de meeste toepassingen wordt de voorkeur gegeven aan een gatedriver met een korte propagatievertraging. Hoogwaardige gatedriver-IC's bevatten ook cross-conduction prevention logica om de betrouwbaarheid van het systeem verder te verbeteren (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Hoogwaardige gatedriver-IC's bevatten naast minimale propagatievertragingen ook cross-conduction prevention logica (midden links). (Bron afbeelding: Diodes, Inc.)

Koel blijven

Veilig en nauwkeurig aansturen van de vermogens-MOSFET's is essentieel voor de betrouwbare werking van BLDC-motors, evenals het koel houden van de vermogens-MOSFET's. Twee belangrijke specificaties in verband met thermisch beheer voor vermogenshalfgeleiders zijn de warmteweerstand van de junctie ten opzichte van de kast (R_θJC) en de warmteweerstand van de junctie ten opzichte van de omgeving (R_θJA). Beide worden uitgedrukt in graden Celsius per watt (°C/W). R_θJC is apparaat- en pakketspecifiek. Het is een vast bedrag dat afhangt van factoren zoals de grootte van de matrijs, het materiaal waarmee de matrijs wordt bevestigd en de thermische kenmerken van de verpakking.

R_θJA is een ruimer begrip: het omvat R_θJC plus de temperatuurcoëfficiënten van de soldeerverbinding en het koellichaam. Voor vermogens-MOSFET's kan R_θJA 10x groter zijn dan R_θJC. Het onder controle houden van de MOSFET-behuizingstemperatuur (T_C) is een belangrijke overweging (Afbeelding 3). Dit betekent dat factoren als printplaatlay-out en koeling zeer belangrijk zijn bij het ontwikkelen van een oplossing voor het thermisch beheer van power MOSFET's. Bijna alle warmte die in de MOSFET wordt opgewekt, wordt afgevoerd via het koperen pad/heatsink op de printplaat.

Afbeelding 3: R_θJA is een belangrijke maatstaf voor thermische dissipatie en kan 10x groter zijn dan R_θJC. (Bron afbeelding: Diodes, Inc.)

Automotive normen

Voor gebruik in een automobieltoepassing moeten de apparaten ook voldoen aan een of meer industrienormen, waaronder AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP en IATF 16949:2016. AEC-Q100 en AEC-Q101 zijn betrouwbaarheidsnormen voor halfgeleiderelementen die in automobieltoepassingen worden gebruikt. PAPP is een documentatie- en traceernorm en IATF 16949:2016 is een op ISO 9001 gebaseerde kwaliteitsnorm. Meer specifiek:

AEC-Q100 is een op faalmechanismen gebaseerde stresstest voor verpakte IC's en omvat vier omgevingstemperatuurbereiken, of klassen:

• Klasse 0: -40 °C tot +150 °C
• Klasse 1: -40 °C tot +125 °C
• Klasse 2: -40 °C tot +105 °C
• Klasse 3: -40 °C tot +85 °C

AEC-Q101 definieert minimale eisen en voorwaarden voor stresstests van discrete apparaten zoals vermogens-MOSFET's en specificeert de werking van -40 °C tot +125 °C.

PPAP is een goedkeuringsproces in 18 stappen voor nieuwe of herziene onderdelen. Het is ontworpen om ervoor te zorgen dat onderdelen consequent voldoen aan de gespecificeerde eisen. PPAP kent vijf standaard indieningsniveaus, en over de vereisten wordt onderhandeld tussen de leverancier en de klant.

IATF 16949:2016 is een automotive kwaliteitssysteem gebaseerd op ISO 9001, en klantspecifieke eisen uit de automotive sector. Deze norm vereist certificering door een ^derde partij.

Dubbele power MOSFET's

Om een efficiënte BLDC-motoraandrijving te implementeren, kunnen ontwerpers dubbele N-kanaals versterkingsmodus FET's gebruiken, zoals de DMTH6010LPD-13 van Diodes Inc. voor industriële toepassingen, en de DMTH6010LPDQ-13 die gekwalificeerd is volgens AEC-Q101 voor automobieltoepassingen. Beide onderdelen worden ondersteund door een PPAP en vervaardigd in IATF 16949 gecertificeerde faciliteiten. Deze MOSFET's hebben een lage ingangscapaciteit (C_iss) van 2615 picofarads (pF) ter ondersteuning van hoge schakelsnelheden, en een lage inschakelweerstand (R_DS(on)) van 11 milliohms (mΩ) voor een hoge omzettingsefficiëntie, waardoor ze geschikt zijn voor hoogfrequente, zeer efficiënte toepassingen. De apparaten hebben een 10-volt gatedrive, zijn geschikt voor gebruik tot +175 °C, en worden geleverd in een 5-millimeter (mm) x 6 mm PowerDI5060-8 pakket met een groot drain pad voor hoge thermische dissipatie (Afbeelding 4). Thermische specificaties zijn:

• Steady State R_θJA van 53 °C/W met het apparaat gemonteerd op FR-4 printplaat met 2-ounce (oz) koper en met thermische doorvoeringen naar een onderlaag die bestaat uit een 1 inch (in.) vierkante koperen plaat.
• R_θJC van 4 °C/W
• Geschat tot +175 °C

Afbeelding 4: De DMTH6010LPD-13 en de DMTH6010LPDQ-13 gebruiken het grote drain pad van hun PowerDI5060-8-pakket om hoge thermische dissipatie te ondersteunen. (Bron afbeelding: Diodes, Inc.)

Dubbele MOSFET-gatedriver

Om dubbele vermogens-MOSFET's aan te sturen, kunnen ontwerpers een van de twee half-brug gatedrivers gebruiken: de DGD05473FN-7 voor industriële toepassingen, of de AEC-Q100 gekwalificeerde DGD05473FNQ-7 voor autosystemen. Deze drivers worden ook ondersteund door een PPAP en vervaardigd in IATF 16949 gecertificeerde faciliteiten. De ingangen zijn compatibel met TTL- en CMOS-niveaus (tot 3,3 volt) om aansluiting op een MCU te vereenvoudigen, en de zwevende high-side driver is berekend op 50 volt. De beveiligingsfuncties omvatten UVLO- en cross-conduction preventielogica (zie Afbeelding 2). De geïntegreerde bootstrapdiode helpt de ruimte op de printplaat te minimaliseren. Andere kenmerken zijn:

• 20 nanoseconden (ns) voortplantingsvertraging
• 5 ns maximale vertragingsafstemming
• 1,5 A source en 2,5 A sink maximale aandrijfstroom
• Minder dan 1 microampère (µA) stand-by stroom
• AEC-Q100 klasse 1 bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +125 °C

Thermische en EMI-overwegingen

De beste lay-outpraktijken voor het gebruik van de hierboven beschreven MOSFET's en driver-IC's moeten een compact ontwerp combineren met de grootste praktische koperoppervlakken voor de MOSFET's om de best mogelijke thermische dissipatie te garanderen. Het compacte ontwerp minimaliseert de lusgebieden, terwijl korte bedradingslengtes de EMI minimaliseren en de bezorgdheid over elektromagnetische compatibiliteit (EMC) verminderen.

Om de EMC- en thermische prestaties verder te verbeteren, moet de printplaat een stevige interne massaplaat en een extra vermogensvlak aan de onderkant bevatten. Bovendien moet een aparte interne laag worden gebruikt voor signaallijnen.

Het MOSFET-pakket heeft een grote invloed op de thermische prestaties. Bij bestudering van drie opties, de PowerDI5060-8, de 3 mm x 3 mm PowerDI3333-8, en de 2 mm x 2 mm DFN2020-6, blijkt dat de PowerDI5060 met het grootste drain pad de hoogste vermogensdissipatie ondersteunt, namelijk 2,12 watt (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De PowerDI5060 (blauwe lijn) dissipeert meer vermogen dan de twee kleinere pakketten. (Bron afbeelding: Diodes, Inc.)

Conclusie

Dubbele vermogens-MOSFET's in thermisch efficiënte verpakkingen kunnen worden gecombineerd met bijpassende gatedrive-IC's om krachtige en compacte BLDC-motoraandrijvingen te produceren voor automobiel- en industriële toepassingen. Deze oplossingen kunnen voldoen aan de AEC-, PPAP- en IATF-normen voor respectievelijk betrouwbaarheid, documentatie en kwaliteit. Met behulp van de beste praktijken voor de layout van printplaten kunnen de apparaten worden gebruikt om ontwerpers te helpen bij het bereiken van de beste thermische en EMC-prestaties voor hun BLDC-motoraandrijving.

Aanbevolen lectuur

1. Gebruik sensorloze vectorregeling met BLDC- en PMS-motors voor nauwkeurige bewegingsregeling.
2. Welke encoderfuncties verhogen de robuustheid? Solid-State Electronics, misschien?
3. Hoeksensors kiezen en gebruiken voor stuurbekrachtiging, motors en robotica