作者:Jeff Shepard
投稿人:DigiKey 北美編輯
無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)越來(lái)越多地用于熱條件苛刻的環(huán)境中,如電動(dòng)汽車 (EV) 等汽車環(huán)境以及如機(jī)器人、制造設(shè)備等工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),有效的熱管理是確保 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可靠運(yùn)行的關(guān)鍵考慮因素。為此,他們需要特別注意功率 MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng) IC 的開(kāi)關(guān)頻率、效率、工作溫度范圍和外形尺寸,同時(shí)還需要確保這些器件符合 AEC-Q101、生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序 (PPAP) 和國(guó)際汽車工作組 (IATF) 16949:2016(如適用) 等規(guī)范。
此外,柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)晶體管-晶體管邏輯門 (TTL) 和 CMOS 電壓水平兼容,以簡(jiǎn)化與微控制器 (MCU) 的接口。此外,柵極驅(qū)動(dòng)器還需能夠保護(hù) MOSFET 不受各種故障的影響,并需要有匹配良好的傳播延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的高頻運(yùn)行。
為此,設(shè)計(jì)人者可以將雙 N 溝道增強(qiáng)模式 MOSFET 與高頻柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 配對(duì),以構(gòu)建緊湊、高效的解決方案。
本文首先介紹設(shè)計(jì) BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要考慮熱管理因素,然后簡(jiǎn)要總結(jié) AEC-Q101、PPAP 和 IATF 16949:2016 標(biāo)準(zhǔn)的要求。接下來(lái),以 [Diodes, Inc]的高性能 [雙 N 溝道增強(qiáng)模式 MOSFET]和相匹配的[柵極驅(qū)動(dòng)器 IC]為例進(jìn)行介紹,這些產(chǎn)品適用于汽車和工業(yè) BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文最后討論 BLDC 驅(qū)動(dòng)電路的 PC 板布局注意事項(xiàng),包括盡可能減少電磁干擾 (EMI) 和優(yōu)化熱性能。
BLDC 和換向
BLDC 和有刷電機(jī)的關(guān)鍵區(qū)別在于,BLDC 需要在 MCU 控制下實(shí)現(xiàn)換向。這就要求有能力檢測(cè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置。位置檢測(cè)可通過(guò)電流檢測(cè)電阻或霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)完成。將霍爾效應(yīng)傳感器以 120° 間隔安裝在電機(jī)內(nèi)部,是常見(jiàn)、準(zhǔn)確且有效的位置檢測(cè)方法。
這種方法包括采用六個(gè)功率 MOSFET 組成的橋式配置來(lái)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)三相 BLDC 電機(jī)。霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)生數(shù)字信號(hào),MCU 利用此信號(hào)來(lái)確定電機(jī)位置,然后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào),按照所需的順序和速度開(kāi)關(guān) MOSFET,以控制電機(jī)運(yùn)行(圖 1)。可控性是使用 BLDC 電機(jī)的一個(gè)主要好處。
圖 1:在三相 BLDC 電機(jī)中,采用三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器提供控制六個(gè)功率 MOSFET 開(kāi)關(guān)所需的位置信息。(圖片來(lái)源:Diodes, Inc.)
處理傳播延遲問(wèn)題
MCU 產(chǎn)生的控制信號(hào)太弱,不能直接用于驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET,所以使用柵極驅(qū)動(dòng) IC 來(lái)放大 MCU 的信號(hào)。然而,柵極驅(qū)動(dòng) IC 的引入也帶來(lái)了一定程度的控制信號(hào)傳播延遲。此外,半橋柵極驅(qū)動(dòng)器中的兩個(gè)通道的響應(yīng)時(shí)間略有不同,導(dǎo)致傳播延遲出現(xiàn)偏移。在最嚴(yán)重的情況下,高壓側(cè)開(kāi)關(guān)可以在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)完全斷開(kāi)之前接通,從而導(dǎo)致兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。如果發(fā)生這種情況,將會(huì)出現(xiàn)短路并導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或電機(jī)損壞。
我們有幾種方法來(lái)已應(yīng)對(duì)傳播延遲問(wèn)題。其中一種方法涉及到使用快速 MCU,其反應(yīng)速度足以補(bǔ)償傳播延遲。這種方法有兩個(gè)潛在問(wèn)題,需要更昂貴的 MCU 并且 MCU 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)引入死區(qū)時(shí)間帶,以確保這兩個(gè)開(kāi)關(guān)始終不會(huì)同時(shí)閉合。這種死區(qū)時(shí)間延遲了整個(gè)切換過(guò)程。
在大多數(shù)應(yīng)用中,首選替代方案是使用具有短傳播延遲的柵極驅(qū)動(dòng)器。高性能柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 還包括防跨導(dǎo)邏輯,可進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性(圖 2)。
圖 2:高性能柵極驅(qū)動(dòng) IC 除了具有最小的傳播延遲外,還包括防跨導(dǎo)邏輯(左中)。(圖片來(lái)源:Diodes, Inc.)
保持冷卻
安全和精確地驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 是 BLDC 電機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵,保持功率 MOSFET 冷卻同等重要。與功率半導(dǎo)體的熱管理有關(guān)的兩個(gè)重要規(guī)格是結(jié)對(duì)外殼的熱阻 (Rθ 杰成 ) 和結(jié)對(duì)環(huán)境的熱阻 (Rθ 和 )。這兩個(gè)參數(shù)以 ℃/W 為單位。Rθ杰成是特定的器件和封裝的結(jié)對(duì)外殼熱阻。這是一個(gè)固定量,取決于諸如芯片尺寸、芯片連接材料和封裝熱特性等多種因素。
右θJA是一個(gè)更廣泛的概念:包括 Rθ杰成加上焊點(diǎn)和散熱器的溫度系數(shù)。對(duì)于功率 MOSFET,RθJA可能比 RθJC大 10 倍。保持 MOSFET 的封裝(外殼)溫度 ( TC ) 受控是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素(圖 3)。這意味著在為功率 MOSFET 開(kāi)發(fā)熱管理解決方案時(shí),電路板布局和散熱器等因素非常重要。幾乎所有在 MOSFET 中產(chǎn)生的熱量都將通過(guò) PC 板上的導(dǎo)熱銅墊/散熱器發(fā)散。
圖 3:RθJA是衡量熱耗散的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),可能比 RθJC大 10 倍。(圖片來(lái)源:Diodes, Inc.)
汽車標(biāo)準(zhǔn)
為了用于汽車應(yīng)用,這些器件還必須滿足一個(gè)或多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),具體包括 AEC-Q100、AEC-Q101、PPAP 和 IATF 16949:2016 標(biāo)準(zhǔn)。AEC-Q100 和 AEC-Q101 是用于汽車應(yīng)用中的半導(dǎo)體器件的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。PAPP 是說(shuō)明文檔和跟蹤標(biāo)準(zhǔn),而 IATF 16949:2016 是基于 ISO 9001 的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。更具體地說(shuō):
AEC-Q100 是一種基于故障機(jī)理的壓力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),適用于封裝集成電路,具體包括四個(gè)環(huán)境工作溫度范圍或等級(jí):
- 0 級(jí):-40℃ 至 +150℃
- 1 級(jí):-40℃ 至 +125℃
- 2 級(jí):-40℃ 至 +105℃
- 3 級(jí):-40℃ 至 +85℃
AEC-Q101 規(guī)定了如功率 MOSFET 等分立式器件的最低應(yīng)力測(cè)試驅(qū)動(dòng)要求和條件,并規(guī)定工作溫度為 -40°C 至 +125°C。
PPAP 是一個(gè)針對(duì)新部件或修改部件的 18 步批準(zhǔn)程序。該批準(zhǔn)程序旨在確保組件始終滿足各項(xiàng)指定要求。PPAP 有五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的提交等級(jí),具體要求由供應(yīng)商和客戶協(xié)商確定。
IATF 16949:2016 是一個(gè)基于 ISO 9001 的汽車質(zhì)量體系,以及由汽車行業(yè)客戶提出的特定要求。該標(biāo)準(zhǔn)要求由第 3^ ^方審核機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)證。
雙功率 MOSFET
為了實(shí)現(xiàn)高效的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng),設(shè)計(jì)者可以使用諸如適合工業(yè)應(yīng)用的 Diodes Inc. [DMTH6010LPD-13]等雙 N 溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,以及符合 AEC-Q101 的汽車應(yīng)用的 [DMTH6010LPDQ-13]器件。這兩個(gè)部件都獲得了 PPAP 支持,并由獲得 IATF 16949 認(rèn)證的工廠制造。這類 MOSFET 器件具有 2615 pF 低輸入電容 (C 國(guó)際空間站 ),可支持快速開(kāi)關(guān),并具有 11 mΩ 低導(dǎo)通電阻 (R DS(開(kāi)) ),以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率,使其適合高頻、高效應(yīng)用。這類器件具有 10 V 柵極驅(qū)動(dòng),額定工作溫度為 +175°C,采用 5 mm x 6 mm PowerDI5060-8 封裝,具有較大的漏極焊盤以實(shí)現(xiàn)高熱耗散(圖 4)。具體熱規(guī)格包括:
- 穩(wěn)態(tài) R
θJA為 53°C/W,安裝在含有 2 盎司銅的 FR-4 電路板上,并有熱過(guò)孔通向由 1 英寸方形銅板構(gòu)成的底層。 - 右
θJC為 4°C/W - 額定溫度為 +175°C
圖 4:DMTH6010LPD-13 和 DMTH6010LPDQ-13 通過(guò)其 PowerDI5060-8 封裝的大型漏極焊盤實(shí)現(xiàn)高熱耗散。(圖片來(lái)源:Diodes, Inc.)
雙 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器
為了驅(qū)動(dòng)雙功率 MOSFET,設(shè)計(jì)者可以使用以下任一種半橋柵極驅(qū)動(dòng)器:適合工業(yè)應(yīng)用的 [DGD05473FN-7] 或適合汽車系統(tǒng)的 AEC-Q100 認(rèn)證 [DGD05473FNQ-7]。這兩款器件獲得了 PPAP 支持,并由獲得 IATF 16949 認(rèn)證的工廠制造。輸入與 TTL 和 CMOS 電平兼容(低至 3.3 V),以簡(jiǎn)化與 MCU 的連接,浮動(dòng)高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器的額定電壓為 50 V。保護(hù)功能包括 UVLO 和防跨導(dǎo)邏輯(見(jiàn)圖 2)。集成陰極負(fù)載二極管有助于最大限度地減少 PC 板空間。其他特性包括:
- 20 ns 傳播延遲
- 5 ns 最大延遲匹配度
- 1.5 A 拉電流和 2.5 灌電流的最大驅(qū)動(dòng)電流
- 低于 1 μA 的待機(jī)電流
- AEC-Q100 1 級(jí)工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C
考慮了散熱和 EMI
為了使用上文詳述的 MOSFET 和驅(qū)動(dòng) IC 的電路板布局,最佳做法是將緊湊型設(shè)計(jì)與 MOSFET 的最大實(shí)際銅面積相結(jié)合,以確保最佳散熱。緊湊型設(shè)計(jì)會(huì)最大限度地減少回路面積,而短布線長(zhǎng)度會(huì)最大限度地減小電磁干擾,并減少電磁兼容性 (EMC) 問(wèn)題。
為了進(jìn)一步提高 EMC 和散熱性能,PC 板應(yīng)包括一個(gè)堅(jiān)實(shí)的內(nèi)部接地平面和一個(gè)額外的底部電源平面。此外,還應(yīng)使用單獨(dú)的內(nèi)層來(lái)處理信號(hào)線。
MOSFET 的封裝對(duì)熱性能有很大影響。觀察 PowerDI5060-8、3 mm x 3 mm PowerDI3333-8 和 2 mm x 2 mm DFN2020-6 這三種封裝選擇,發(fā)現(xiàn)具有最大漏極焊盤的 PowerDI5060 具有最高的功率耗散,可達(dá) 2.12 W(圖 5)。
圖 5:與兩個(gè)較小的封裝相比,PowerDI5060(藍(lán)線)的耗散功率更大。(圖片來(lái)源:Diodes, Inc.)
結(jié)束語(yǔ)
采用高效散熱型封裝的雙功率 MOSFET 可與相匹配的柵極驅(qū)動(dòng) IC 組合使用,為汽車、工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)緊湊的高性能 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這些解決方案可以分別滿足 AEC、PPAP 和 IATF 的可靠性、說(shuō)明文檔和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。利用最佳的 PC 板布局,這些器件有助于設(shè)計(jì)者在實(shí)施 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)達(dá)到最佳的熱性能和 EMC 性能。
-
MOSFET
+關(guān)注
關(guān)注
142文章
7000瀏覽量
212239 -
封裝
+關(guān)注
關(guān)注
126文章
7646瀏覽量
142454 -
BLDC
+關(guān)注
關(guān)注
202文章
776瀏覽量
96609 -
散熱
+關(guān)注
關(guān)注
3文章
488瀏覽量
31724 -
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
+關(guān)注
關(guān)注
15文章
627瀏覽量
64530
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論