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适用于电池供电设备的热感知高功率高压板
 

【作者: 意法半導體,Cadence】2021年12月30日 星期四

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电池供电马达控制方案为设计人员带来多项挑战,例如,优化印刷电路板热效能至今仍十分棘手且耗时;但现在,应用设计人员可利用现代化电热模拟器轻松缩短上市时间。


如今,电池供电马达驱动解决方案通常可用极低的工作电压提供数百瓦的功率。在此类应用中,为确保整个系统的效能和可靠性,必须正确管理马达驱动设备的电流。事实上,马达电流可能会超过数十安培,导致变流器内部耗散功率提升。为变流器元件施加较高的功率将会导致运作温度升高,效能下降,如果超过最额定功率,甚至会突然停止运作。


优化热效能同时缩小大小,是变流器设计过程中的重要一环,若处理不当便可能埋下祸根。用现场验证方法依续改善样品生产可解决此问题,但电热评估是完全分开的两个过程,并且在设计过程中从未考虑电 - 热偶合效应,故经常导致多次重复设计与延长产品上市时间。


目前电热评估有一种更有效的替代方法可利用现代化模拟技术,优化马达控制系统的电热效能。 Cadence Celsius Thermal Solver温度模拟器为可用于系统分析的电热协同模拟软体,可在短短几分钟内从电热两个角度全面精准地评估设计效能。意法半导体用Celsius软体改善EVALSTDRIVE101评估板的热效能,开发出输出电流高达15 Arms的三相无刷马达变流器,提供开发变流器的终端应用设计人员作参考。文中将讲解如何减少热优化工作量,并让EVALSTDRIVE101达到生产级解决方案。


EVALSTDRIVE101

EVALSTDRIVE101基于75 V三半桥闸极驱动器STDRIVE101和六个连成三个半桥的STL110N10F7功率MOSFET开关二极体。 STDRIVE101采用4x4mm四方扁平无脚位(QFN)封装,整合安全保护功能,适合电池供电解决方案。


Celsius显著地简化了EVALSTDRIVE101的热电效能优化过程,能于短时间做到尺寸精密的可靠设计。以下所示的模拟结果用于反覆调整元件的位置,优化板层和绕线的形状,调整板层厚度,增加或移除通孔,最终取得生产级变流器解决方案。优化后,EVALSTDRIVE101是一块覆铜2oz的四层PCB板,宽11.4公分,高9公分,且使用36 V电池电压可向负载提供高达15 Arms电流。热学方面,EVALSTDRIVE101最关键的地方是功率级区域,其中包括功率MOSFET开关二极体、分流电阻、陶瓷旁路电容、大容量电解电容和连接器。


此部分之布局设计被大幅缩小,仅占整个电路板尺寸的一半,即50cm2。该MOSFET的摆放与绕线都经过慎重考虑,因为在运作期间,变流器大部分功率损耗皆由这些开关二极体造成的。所有MOSFET汲极端子的覆铜面积在顶层最大,其它层则尽可能维持相同大小或加大,以改善向底层表面导热的热传输效率。


如此一来,电路板的正面和背面皆有助于空气自然对流和热辐射。直径0.5mm的通孔负责各层之间的电连接和热传输,促进空气流动并改善冷却效果。通孔网格位于MOSFET裸露焊盘的正下方,但通孔直径缩小至0.3mm,以防止锡膏于孔中回流。


预估功耗


EVALSTDRIVE101的热优化过程从评估变流器运行期间的耗散功率开始,变流器是温度模拟器的一个输入端。变流器损耗分两类:在电路板绕线内因焦耳效应产生的功率损耗和电子元件造成的功率损耗。虽然Celsius可透过直接导入电路板设计资料精确计算电流密度和电路板损耗,但是,还必须考虑电子元件引起的损耗。虽然电路模拟器可以提供非常准确的结果,但我们还是决定用简化的公式算出合理的功率损耗,提出近似值。事实上,制造商可能无法获得元件的电气模型,且因缺乏建模资料,难以或无法从头开始建模,而我们提供的公式仅需要产品资料手册的基本资讯。排除次生现象,引起变流器耗散功率的主要原因是分流电阻器Psh和MOSFET内部的功率损耗。这些损耗包含:导通损耗Pcond、开关损耗Psw和二极体压降损耗Pdt每个MOSFET的预估耗散功率为1.303 W,每个分流电阻器的预估耗散功率为 0.281 W。


热模拟


Celsius供设计人员进行热模拟实验,包含系统电气分析,显示走线和通孔的电流密度和电压降。这些模拟试验要求设计人员必须在系统中使用电路模型,定义相关电流回路。图1所示是EVALSTDRIVE101的每个半桥所用的电路模型。模型包括位于输出和电源输入之间的两个恒流源产生器和三个旁通 MOSFET和分流电阻器的短路。这两个电流回路与整个电源轨和接地层的实际平均电流非常接近,而输出路径电流略微高一点,便于评估设计稳定性。



图1 : 电流环路模型
图1 : 电流环路模型

图2和图3显示了电流为15 Arms的EVALSTDRIVE101的电压降和电流密度。对地参考电压的压降突出了这个板子的设计经特别优化,没有瓶颈,并且U、V和W的输出端在43 mV、39 mV 和 34 mV时电压降非常均衡。 U输出端的压降最大,而W输出端的压降是三者中最低的,因为W埠到电源连接器的路径长度较短。电流于各个路径中分布均衡,平均密度低于15 A/mm2,正是电源走线尺寸的推荐值。在MOSFET、分流电阻器和连接器附近的一些区域是红色的,这代表电流密度较高,因为这些元件的端子比下面的电源绕线小。然而,最大电流密度远低于50 A/mm2的限制,可能于实际应用中引发可靠性问题。



图2
图2

图3 : 内层电压降类比
图3 : 内层电压降类比

模拟器供设计人员安装并进行稳态模拟或暂态模拟测试。稳态模拟提供板层和元件的2D温度图,而暂态模拟则提供每个模拟时刻的温度图和升温曲线,但模拟时间更长。稳态模拟工具可以用于暂态模拟,但还需要另外为元件定义耗散功率函数。暂态模拟适用于为系统定义工作状态、电源非同时运作与评估达到稳态温度所需的时间。


EVALSTDRIVE101的模拟实验之环境温度条件是28 °C,并以传热系数作为边界条件,元件分析采用双电阻热模型代替Delphi等复杂的热模型,可直接从元件资料手册中获得模型,但会稍微牺牲模拟精确度。图4所示为EVALSTDRIVE101的稳态模拟结果,图5是暂态模拟结果。暂态模拟使用阶跃功率函数,以零时间启用所有MOSEFT和分流电阻器。模拟结果确定U半桥区域是电路板上最热的区域。Q1 MOSFET(高侧)温度为94.06°C,紧随其后的是Q4 MOSFET(低侧)、R24和R23分流电阻器,分别为93.99°C、85.34°C 和85.58°C。



图4
图4

图5 : U埠半桥元件升温模拟值
图5 : U埠半桥元件升温模拟值

热示性实验设备


EVALSTDRIVE101热效能实验示性是在组装完成的电路板上进行的。为方便实验,没有用连接到制动台的马达,而是考虑使用一个等效的测试台,如图6所示。 EVALSTDRIVE101连接到控制板,生成所需的驱动讯号,并放置在有机玻璃箱内,以获得空气对流冷却,避免意外的空气对流。在盒子上方放置了一台热成像摄影机(日本航空电子公司的 TVS-200型),透过盒盖上的一个孔,将电路板全部收入拍摄框内。电路板输出端连接一个三相负载,驱动系统使用36 V电源。负载是由三个连成星形结构的线圈组成,以模拟真实的马达工作特性。每个线圈皆为30 A的饱和电流、300μH的电感和25 mΩ的寄生电阻。低寄生电阻大幅降低线圈内部的焦耳热效应,有利于电路板和负载之间的功率无损传输。透过控制板施加适当的正弦电压,在线圈内部产生三个15 Arms的正弦电流。使用这种方法,功率级运作环境非常接近马达驱动实际应用的条件下,优点是不需要任何控制回路。



图6 : 热示性试验装置
图6 : 热示性试验装置

功率损耗测量


功率级中各个元件的耗散功率的数据准确性无疑是影响模拟结果的一大因素。 MOSFET与分流电阻的资料是使用简化公式计算而来,故提出了近似值。于电路板上进行测量以评估量化耗散功率时的误差。使用示波器(Teledyne LeCroy 的HDO6104-MS型)测量,并在波形中使用适当的数学函数:首先,逐点计算每个测量点的电压和电流的乘积;接着计算在一个整数正弦周期数内的平均功率。在环境温度下的测量资料和功率级达到稳态条件时的高温测量。


结果证明,测量值与预估值非常相近,与提出的近似值一致。于室温时,公式高估测量值1.5%,在高温条件下,低估测量值大约3.9%。此结果与MOSFE导通电阻和分流电阻的可变性一致,因为在计算中使用的是标称值。由于线圈电阻和MOSFET电阻随温度升高而增加,高温功率值皆比室温功率值高,符合预期。数据亦显示三个输出的测量功率存在差异,是因为三相负载不均衡所造成,因每个线圈的L和R值略有不同。然而因观察到的差值低于测量和预估之间的偏差,故其影响微不足道。


温度结果


在负载内产生正弦电流和热像仪采集拍照是同步的。红外线热影像仪设为每15秒拍摄一次热图像,每次拍照都包括元件Q1、Q4和R23的三个温度标记。系统保持工作状态,直到大约25分钟后达到稳态条件为止。在测试结束时检测到箱内环境温度约为 28°C。


图7显示出从温度标记导出的电路板升温暂态,图8显示电路板上的最终温度。测量结果表明,Q1 MOSFET是整个电路板中最热的元件,温度为93.8°C,而Q4 MOSFET和R23电阻分别达到91.7°C和82.6°C。根据前文的Celsius?模拟结果,Q1 MOSFET是94.06°C,Q4 MOSFET是93.99°C,R23是85.58°C,与测量结果非常相近。直接比较图5与图7不难发现,散热暂态时间常数亦接近一致。



图7 : U埠半桥元件升温测量值
图7 : U埠半桥元件升温测量值
图8 : 顶层稳态温度测量
图8 : 顶层稳态温度测量

结论

意法半导体最近发布了利用Cadence Celsius Thermal Solver温度模拟器开发的EVALSTDRIVE101评估板。该电路板可驱动电池供电设备的高功率低电压三相无刷马达。这块板子包含一个精密的50 cm2功率级,无需散热器或加装冷却设备即可提供马达超过15 Arms的电流。


使用温度模拟器内部的不同模拟功能,不仅可以预测电路板的温度分布及功率级元件的热点,还可以详细描述电源绕线的电压降和电流密度,而这十分困难或什至无法透过实验测量获得。


自设计初期至最终定案的整个开发过程中,模拟结果可让开发者快速优化电路板布局设计,调整元件位置,改善布局缺陷。红外线热影像仪的热示性测试显示出稳态温度以及暂态温度曲线的模拟值和测量值之间具有良好的一致性,证明电路板具有出色的效能,温度模拟器可帮助设计人员降低设计余裕,加速产品上市。


(本文作者P. Lombardi, D. Cucchi, E. Poli于意法半导体,S. Djordjevic, M. Biehl, M. Roshandell于Cadence)


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