Płytka przemiennika wysokiej mocy do zastosowań bateryjnych

Współczesne rozwiązania sterowania silnikami z zasilaniem bateryjnym pozwalają zazwyczaj dostarczać mocy rzędu setek watów przy wykorzystaniu bardzo niskiego napięcia roboczego. W takich zastosowaniach właściwe zarządzanie prądami przepływającymi przez układy elektroniczne sterujące silnikami jest uważane za niezbędne dla zapewnienia ogólnej sprawności i niezawodności układu. W rzeczywistości natężenie prądu silnika może przekraczać dziesiątki amperów, co prowadzi do zwiększenia strat mocy wewnątrz przemiennika. Większa moc komponentów przemiennika powoduje wyższe temperatury, a obniżenie parametrów działania przy przekroczeniu maksymalnych dopuszczalnych wartości znamionowych może skończyć się nawet nagłymi przerwami działania. Optymalizacja parametrów termicznych w połączeniu z kompaktową konstrukcją jest kluczowym aspektem w fazie projektowania przemiennika mogącym kryć w sobie pułapki, które trzeba odpowiednio wcześnie wziąć pod uwagę. Podejście do tego problemu polegało na tworzeniu prototypów, które stopniowo były dopracowane w drodze walidacji na miejscu. Jednak ewaluacja elektryczna i termiczna zostały całkowicie rozdzielone, a podczas projektowania nie uwzględniano żadnych efektów sprzężenia elektrycznego ani termicznego. Zwykle skutkowało to koniecznością wykonania kilku iteracji i wydłużeniem czasu wprowadzania produktu na rynek. Obecnie dostępna jest bardziej skuteczna alternatywa, która pozwala zoptymalizować parametry elektrotermiczne układów sterowania silnikami, przy wykorzystaniu nowoczesnych technologii symulacji. Cadence® Celsius™ Thermal Solver, wiodące w branży oprogramowanie do kosymulacji parametrów elektrycznych i termicznych na potrzeby analizy układów, pozwala na kompleksową i dokładną ocenę jakości projektu zarówno z perspektywy elektrycznej, jak i termicznej w ciągu zaledwie kilku minut. Oprogramowanie Celsius™ zostało wykorzystane przez firmę STMicroeletronics, wiodącego producenta przemysłowych układów scalonych sterowania silnikami, w celu wykonania precyzyjnej regulacji płytki ewaluacyjnej EVALSTDRIVE101. W rezultacie powstał przemiennik do trójfazowych silników bezszczotkowych wytwarzający prąd o natężeniu do 15Arms, który może stanowić punkt odniesienia dla projektantów rozwiązań końcowych. W niniejszym artykule opisujemy tok prac, który umożliwił firmie STMicroeletronics wprowadzenie do produkcji płytki ewaluacyjnej EVALSTDRIVE101, ograniczającej wysiłki niezbędne do optymalizacji termicznej.

EVALSTDRIVE101

Płytka ewaluacyjna EVALSTDRIVE101 bazuje na sterowniku bramek z trzema półmostkami STDRIVE101 75V z zabezpieczeniami w obudowie QFN (poczwórna płaska obudowa bez wyprowadzeń) o wymiarach 4x4mm. Jest idealnym wyborem do rozwiązań z zasilaniem bateryjnym. Pracuje w układzie trzech półmostków zawierających sześć tranzystorów mocy MOSFET STL110N10F7. Oprogramowanie Celsius™ znacznie upraszcza proces optymalizacji z wykorzystaniem płytki ewaluacyjnej EVALSTDRIVE101, pozwalając na opracowanie kompaktowej i niezawodnej konstrukcji w krótkim czasie. Wyniki symulacji, które zostały przedstawione w dalszej części artykułu użyto do iteracyjnego dostosowania rozmieszczenia komponentów, dopracowania kształtów płaszczyzn i ścieżek, modyfikacji grubości warstwy oraz ewentualnego wprowadzenia/pominięcia przelotek w celu otrzymania gotowej do produkcji wersji przemiennika. Układ zoptymalizowany przy użyciu płytki EVALSTDRIVE101 składa się z czterech warstw z miedzią o grubości 2oz, posiada szerokość 11,4cm i wysokość 9cm. Może dostarczać do odbiornika prąd o natężeniu do 15Arms przy użyciu napięcia akumulatora 36V. Z punktu widzenia temperatury, najbardziej krytyczną częścią płytki ewaluacyjnej EVALSTDRIVE101 jest obszar stopnia mocy, który zawiera głównie tranzystory mocy MOSFET, rezystory bocznikowe, ceramiczne rezystory obejściowe, elektrolitowe kondensatory magazynujące i złącza. Rozmiar układu tej części został mocno zredukowany i w rezultacie zajmuje zaledwie połowę całkowitej wielkości płytki, tj. 50cm2. W związku z tym szczególną uwagę poświęcono rozmieszczeniu tranzystorów MOSFET, ponieważ to te komponenty odpowiadają za większość strat mocy podczas pracy przemiennika. Obszar miedziany wszystkich zacisków drenu tranzystorów MOSFET został zmaksymalizowany na górnej warstwie i powielony oraz powiększony w miarę możliwości dla innych warstw, aby poprawić transmisję ciepła w kierunku dolnej powierzchni płytki. W ten sposób zarówno górna, jak i dolna powierzchnia płytki skutecznie przyczyniają się do rozpraszania ciepła w drodze naturalnej konwekcji promieniowania. Połączenia elektryczne i termiczne między różnymi warstwami wykonano z wykorzystaniem przelotek o średnicy 0,5mm, które ułatwiają przepływ powietrza i poprawiają chłodzenie. Tuż pod odsłoniętymi polami tranzystorów MOSFET znajduje się siatka przelotek. Ich średnica została zmniejszona do 0,3mm, aby zapobiec wypływaniu pasty lutowniczej w otworach.

Szacowanie strat mocy

Optymalizację termiczną płytki ewaluacyjnej EVALSTDRIVE101 rozpoczęto od oszacowania strat mocy na pracującym przemienniku, które stanowiły część danych wejściowych dla symulatora termicznego. Straty przemiennika można podzielić na dwa typy: wynikające z efektu Joule'a na ścieżkach płytki oraz spowodowane komponentami elektronicznymi. Gęstość prądu i straty na płytce można określić bezpośrednio i precyzyjnie za pomocą oprogramowania Celsius™ poprzez zaimportowanie danych układu, natomiast straty spowodowane przez komponenty elektroniczne muszą być obliczone. Mimo że symulator obwodów może zapewnić bardzo dokładne wyniki, w celu określenia rozsądnej, choć przybliżonej wartości strat mocy, zdecydowano się na zastosowanie uproszczonych wzorów. Może przecież okazać się, że modele elektryczne komponentów będą niedostępne u producentów, a ich wdrożenie od zera będzie trudne lub niemożliwe z powodu braku danych modelowania, podczas gdy dostarczone wzory wymagają jedynie podstawowych informacji z arkuszy danych. Pomijając zjawiska drugorzędne, straty mocy na przemienniku obejmują głównie straty wewnątrz rezystorów bocznikowych Psh i tranzystorów MOSFET. Straty te są spowodowane przewodnictwem Pcond, przełączaniem Psw i spadkiem na diodzie Pdt: