Optymalizacja parametrów termicznych napędu wykorzystującego silnik bezszczotkowy prądu stałego (BLDC) w wymagających środowiskach

Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) są coraz częściej wykorzystywane w wymagających warunkach termicznych w środowiskach motoryzacyjnych, np. w pojazdach elektrycznych (EV), oraz w zastosowaniach przemysłowych, takich jak robotyka i sprzęt produkcyjny. Efektywne odprowadzanie ciepła jest dla projektantów kluczowym czynnikiem zapewniającym niezawodne działanie napędów wykorzystujących silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC). Aby to osiągnąć, muszą oni zwrócić szczególną uwagę na tranzystory mocy MOSFET i układy scalone sterowników bramek pod kątem częstotliwości przełączania, sprawności, zakresu temperatur roboczych i współczynnika kształtu, zapewniając jednocześnie, że spełniają one odpowiednie normy, np. AEC-Q101, proces zatwierdzania części produkcyjnych (PPAP) i normę International Automotive Task Force (IATF) 16949: 2016.

Ponadto sterowniki bramek powinny być kompatybilne ze standardowymi poziomami napięcia logiki tranzystorowo-tranzystorowej (TTL) i komplementarnych półprzewodników tlenkowych (CMOS), aby uprościć współpracę z mikrokontrolerami (MCU). Muszą również być w stanie zabezpieczyć tranzystory MOSFET przed różnymi stanami usterek i muszą mieć dobrze dopasowane opóźnienia propagacji, aby umożliwiać wydajną pracę z wysoką częstotliwością.

Aby zaspokoić te potrzeby oraz stworzyć kompaktowe i sprawne rozwiązania, projektanci mogą połączyć podwójne tranzystory MOSFET ze wzbogaconym kanałem N wraz z układami scalonymi sterowników bramek wysokiej częstotliwości.

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od przeglądu zagadnień dotyczących odprowadzania ciepła w projektach napędów wykorzystujących silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC), a w dalszej części w skrócie podsumowuje wymagania norm AEC-Q101 i IATF 16949:2016 oraz procesu PPAP. Następnie przedstawia przykłady wysokoparametrowych podwójnych tranzystorów MOSFET ze wzbogaconym kanałem N i pasujących do nich układów scalonych sterowników bramek firmy Diodes, Inc., które są odpowiednie do przemysłowych i motoryzacyjnych układów napędowych wykorzystujących silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC). Artykuł zamyka omówienie zagadnień dotyczących układu płytki drukowanej, m.in. minimalizacji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz optymalizacji parametrów termicznych.

Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) a komutacja

Kluczowa różnica pomiędzy silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC) a silnikami szczotkowymi polega na tym, że w silniku bezszczotkowym komutację uzyskuje się przy użyciu mikrokontrolera MCU. Wymaga to funkcji wykrywania położenia obrotowego wirnika. Wykrywanie położenia można zrealizować poprzez zastosowanie rezystorów pomiarowych prądu lub czujników hallotronowych. Popularnym, dokładnym i skutecznym sposobem implementacji detekcji położenia jest zainstalowanie czujników hallotronowych rozmieszczonych wewnątrz silnika co 120°.

W ramach tego rozwiązania sterowanie trójfazowym silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (BLDC) odbywa się za pomocą sześciu tranzystorów mocy MOSFET w konfiguracji mostkowej. Czujniki hallotronowe generują sygnały cyfrowe wykorzystywane przez mikrokontroler MCU do ustalenia położenia silnika, a następnie wytwarzają sygnały sterujące w celu przełączenia tranzystorów MOSFET w pożądanej kolejności oraz w pożądanym tempie w celu sterowania pracą silnika (ilustracja 1). Możliwości sterowania stanowią kluczową zaletę silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC).

Ilustracja 1: w trójfazowym silniku bezszczotkowym prądu stałego (BLDC) informacje potrzebne do sterowania przełączaniem sześciu tranzystorów mocy MOSFET pochodzą z trzech czujników hallotronowych. (Źródło ilustracji: Diodes, Inc.)

Sposoby radzenia sobie z opóźnieniem propagacji

Sygnały sterujące generowane przez mikrokontroler MCU są zbyt słabe, aby bezpośrednio sterować tranzystorami mocy MOSFET, dlatego w celu ich wzmocnienia stosuje się układ scalony sterownika bramek. Niemniej wprowadzenie układu scalonego sterownika bramek powoduje zwiększenie opóźnienia propagacji sygnałów sterujących. Oprócz tego dwa kanały w półmostkowym sterowniku bramek charakteryzują się nieco innymi czasami odpowiedzi, co daje w efekcie przekos opóźnienia propagacji. W najgorszym przypadku przełącznik strony wysokiej może być przestawiony w położenie włączenia przed całkowitym przestawieniem przełącznika strony niskiej w położenie wyłączenia, wskutek czego oba przełączniki będą przewodzić w tym samym czasie. Jeśli się tak stanie, dojdzie do zwarcia a sterownik silnika lub sam silnik może ulec uszkodzeniu bądź zniszczeniu.

Istnieje kilka sposobów radzenia sobie z problemami związanymi z opóźnieniem propagacji. Jeden z nich zakłada użycie mikrokontrolera MCU o na tyle krótkim czasie reakcji, aby można było skompensować opóźnienie propagacji. W podejściu tym występują dwa potencjalne problemy: wymaga ono droższego mikrokontrolera MCU, oraz to, że mikrokontroler MCU wprowadza do procesu przełączania strefę nieczułości, aby zapewnić, że oba przełączniki nigdy nie będą w stanie włączenia w tym samym czasie. Obecność strefy nieczułości wydłuża całkowity proces przełączania.

Preferowaną alternatywą w większości zastosowań jest zastosowanie sterownika bramek o małym opóźnieniu propagacji. Wysokowydajny układ scalony sterownika bramek posiada także układ logiczny zapobiegający przewodzeniu krzyżowemu, jeszcze bardziej poprawiający niezawodność systemu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wysokowydajne układy scalone sterowników bramek nie tylko charakteryzują się minimalnymi opóźnieniami propagacji, ale także posiadają układy logiczne zapobiegające przewodzeniu krzyżowemu (środek, po lewej stronie). (Źródło ilustracji: Diodes, Inc.)

Chłodzenie

Bezpieczne i precyzyjne sterowanie tranzystorami mocy MOSFET ma kluczowe znaczenie dla niezawodnego działania silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC), podobnie jak utrzymywanie niskiej temperatury wspomnianych tranzystorów. Dwa istotne parametry związane z odprowadzaniem ciepła w półprzewodnikach mocy to opór cieplny między złączem a obudową (R_θJC) oraz opór cieplny między złączem a otoczeniem (R_θJA). Wartości obu z nich wyraża się w stopniach Celsjusza na wat (°C/W). R_θJC jest różna w zależności od urządzenia i obudowy. Jest to wartość stała i zależy od czynników, takich jak rozmiar struktury, materiał użyty do mocowania struktury oraz charakterystyka termiczna obudowy.

Parametr R_θJA to szersze pojęcie: obejmuje R_θJC oraz dodatkowo współczynniki temperaturowe złącza lutowniczego oraz radiatora. W przypadku tranzystorów mocy MOSFET R_θJA może być 10x większe niż R_θJC. Kontrola nad temperaturą obudowy tranzystora MOSFET (T_C) stanowi kluczowe zagadnienie (ilustracja 3). Oznacza to, że podczas opracowywania rozwiązania do odprowadzania ciepła w tranzystorach mocy MOSFET bardzo ważne są czynniki, takie jak układ płytki i zastosowanie radiatorów. Niemal całe ciepło wytworzone w tranzystorze MOSFET zostanie rozproszone przez miedziane pole/radiator na płytce drukowanej.

Ilustracja 3: R_θJA to kluczowy parametr rozpraszania ciepła i może być 10x większa od R_θJC. (Źródło ilustracji: Diodes, Inc.)

Normy w przemyśle motoryzacyjnym

Aby urządzenie mogło być dopuszczone do użytku w zastosowaniach motoryzacyjnych, musi także spełniać określone normy branżowe, m.in. AEC-Q100, AEC-Q101 i IATF 16949:2016 oraz proces PPAP. Normy AEC-Q100 i AEC-Q101 dotyczą niezawodności urządzeń półprzewodnikowych używanych w zastosowaniach motoryzacyjnych. Proces PAPP to norma dokumentacji i śledzenia, natomiast IATF 16949:2016 to norma jakościowa oparta na normie ISO 9001. Więcej szczegółów:

Norma AEC-Q100 opisuje badanie obciążeń bazujące na mechanizmie awarii dla układów scalonych w obudowach. Definiuje cztery zakresy temperatur roboczych czy też klasy:

• Klasa 0: od -40°C do +150°C
• Klasa 1: od -40°C do +125°C
• Klasa 2: od -40°C do +105°C
• Klasa 3: od -40°C do +85°C

W normie AEC-Q101 zdefiniowano minimalne wymagania oraz warunki bazujące na badaniu obciążeń dla urządzeń dyskretnych, takich jak tranzystory mocy MOSFET, i wskazano zakres roboczy od -40°C do +125°C.

Proces PPAP jest 18-etapowym procesem dopuszczenia dla nowych lub modyfikowanych komponentów. Został zaprojektowany w celu zagwarantowania, że komponenty będą konsekwentnie spełniać określone wymagania. Proces PPAP obejmuje pięć standardowych poziomów wnioskowania, a wymagania podlegają negocjacjom pomiędzy dostawcą a klientem.

IATF 16949:2016 to motoryzacyjna norma jakościowa oparta na normie ISO 9001 oraz wymogach klientów z sektora motoryzacyjnego. Norma ta wymaga certyfikacji przez audytora zewnętrznego.

Podwójne tranzystory mocy MOSFET

Aby wdrożyć sprawny napęd wykorzystujący silnik bezszczotkowy prądu stałego (BLDC), projektanci mogą wykorzystać podwójne tranzystory polowe (FET) ze wzbogaconym kanałem N, takie jak produkowane przez firmę Diodes Inc. DMTH6010LPD-13 do zastosowań przemysłowych czy DMTH6010LPDQ-13 z certyfikatem zgodności z normą AEC-Q101 do zastosowań motoryzacyjnych. Oba produkty są objęte procesem PPAP oraz produkowane w zakładach posiadających certyfikaty zgodności z normą IATF 16949. Tego typu tranzystory MOSFET mają niską pojemność wejściową (C_iss) wynoszącą 2615pF w celu obsługi wysokich szybkości przełączania oraz niską rezystancję w stanie włączenia (R_DS(on)) wynoszącą 11mΩ, zapewniającą wysoką sprawność konwersji, dzięki czemu są odpowiednie do zastosowań o wysokiej częstotliwości i sprawności. Omawiane urządzenia posiadają sterownik bramek 10V, znamionową temperaturę pracy +175°C i są zamknięte w obudowie PowerDI5060-8 o wymiarach 5mm x 6mm z dużym polem drenażowym do rozpraszania dużych ilości ciepła (ilustracja 4). Specyfikacja termiczna:

• R_θJA w stanie ustalonym na poziomie 53°C/W przy urządzeniu zamontowanym na płytce drukowanej FR-4 o zawartości 2 uncji miedzi na stopę kwadratową z przelotkami termicznymi do warstwy spodniej, o powierzchni 1 cala kwadratowego
• R_θJC na poziomie 4°C/W
• Temperatura znamionowa +175°C

Ilustracja 4: w obudowie PowerDI5060-8 tranzystorów DMTH6010LPD-13 i DMTH6010LPDQ-13 znajduje się duże pole drenażowe ułatwiające rozpraszanie dużych ilości ciepła. (Źródło ilustracji: Diodes, Inc.)

Sterownik bramek podwójnego tranzystora MOSFET

Do sterowania podwójnymi tranzystorami mocy MOSFET projektanci mogą użyć jednego z dwóch półmostkowych sterowników bramek: modelu DGD05473FN-7 do zastosowań przemysłowych, lub posiadającego certyfikat AEC-Q100 modelu DGD05473FNQ-7 do zastosowań motoryzacyjnych. Omawiane sterowniki są objęte procesem PPAP oraz produkowane w zakładach posiadających certyfikaty zgodności z normą IATF 16949. Wejścia są kompatybilne z logiką tranzystorowo-tranzystorową (TTL) i komplementarnymi półprzewodnikami tlenkowymi (CMOS) (od napięcia 3,3V wzwyż), co upraszcza połączenie z mikrokontrolerem MCU, natomiast napięcie znamionowe bezpotencjałowego sterowania strony wysokiej wynosi 50V. Funkcje zabezpieczające to m.in. blokada pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO) oraz układ logiczny zapobiegający przewodzeniu krzyżowemu (patrz ponownie ilustracja 2). Zintegrowana dioda typu bootstrap pomaga zaoszczędzić przestrzeń na płytce drukowanej. Pozostałe funkcje:

• Opóźnienie propagacji 20ns
• Maksymalne dopasowanie opóźnienia 5ns
• Maksymalny prąd sterujący źródła 1,5A i odbioru 2,5A
• Prąd w trybie czuwania poniżej 1µA
• Zakres temperatur roboczych odpowiadający klasie 1 wg normy AEC-Q100 wynoszący od -40°C do +125°C

Zagadnienia dotyczące temperatury i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI)

Wdrażanie opisywanych wyżej najlepszych praktyk w zakresie planowania układu płytki z wykorzystaniem tranzystorów MOSFET oraz układów scalonych sterowników wiąże się z zapewnieniem kompaktowych rozmiarów rozwiązania przy zachowaniu największych niewpływających negatywnie na praktyczność eksploatacji tranzystorów MOSFET, zapewniających możliwie najlepsze rozpraszanie ciepła. Kompaktowy projekt minimalizuje ilość obszarów z pętlami, natomiast krótkie przewody ograniczają zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i poprawiają kompatybilność elektromagnetyczną (EMC).

Aby jeszcze bardziej udoskonalić kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) i parametry termiczne, na płytce należy przewidzieć solidną wewnętrzną płaszczyznę uziemienia oraz dodatkową płaszczyznę zasilania na spodzie. Dodatkowo na potrzeby linii sygnałowych należy wykorzystać oddzielną warstwę wewnętrzną.

Na parametry termiczne w istotnym stopniu wpływa obudowa tranzystora MOSFET. Porównując trzy opcje - obudowę PowerDI5060-8, obudowę PowerDI3333-8 o wymiarach 3mm x 3mm i obudowę DFN2020-6 o wymiarach 2mm x 2mm - widzimy, że obudowa PowerDI5060 z największym polem drenażowym wykazuje najwyższą moc rozpraszaną, sięgającą 2,12W (ilustracja 5).

Ilustracja 5: obudowa PowerDI5060 (niebieska linia) rozprasza więcej mocy w porównaniu do dwóch mniejszych obudów. (Źródło ilustracji: Diodes, Inc.)

Podsumowanie

Aby opracować wysokoparametrowe i kompaktowe napędy wykorzystujące silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) do zastosowań motoryzacyjnych i przemysłowych, można wykorzystać podwójne tranzystory mocy MOSFET w obudowach o dobrej sprawności termicznej połączone z dopasowanymi układami scalonymi sterowników bramek. Takie rozwiązania mogą być zgodne z normami AEC i IATF, jeśli chodzi o niezawodność i jakość, a także procesem PPAP, jeśli chodzi o dokumentacje. Przy wykorzystaniu najlepszych praktyk opracowywania układów płytek drukowanych, omawiane urządzenia mogą pomóc projektantom w osiągnięciu najlepszych parametrów termicznych i kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) dla wdrażanych napędów wykorzystujących silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC).

Rekomendowane artykuły

1. Wykorzystanie bezczujnikowego sterowania wektorowego w silnikach bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) i silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi (PMS) do precyzyjnego sterowania ruchami
2. Jakiego rodzaju funkcje enkodera poprawiają wytrzymałość? Może elektronika półprzewodników?
3. Dobór i stosowanie czujników kąta we wspomaganiu układu kierowniczego, silnikach i robotyce