Płytka przemiennika wysokiej mocy do zastosowań bateryjnych

Symulacje termiczne

Oprogramowanie Celsius™ umożliwia projektantom przeprowadzanie symulacji obejmujących analizę elektryczną układu przedstawiającą gęstość prądu na ścieżkach i przelotkach, a także spadki napięcia. Symulacje te wymagają od projektantów zdefiniowania konkretnych pętli prądowych przy użyciu modelu obwodu dla układu. Wzór przyjęty dla każdego półmostka w płytce ewaluacyjnej EVALSTDRIVE101 przedstawiono na ilustracji 3. Składa się z dwóch generatorów prądu stałego umieszczonych między złączem wyjściowym i złączem zasilania oraz trzech zwarć omijających tranzystory MOSFET i rezystor bocznikowy. Dwie pętle prądowe zapewniają dobre dopasowanie do rzeczywistych średnich natężeń prądu w całej szynie zasilającej i płaszczyźnie uziemienia, podczas gdy prąd na ścieżce wyjściowej jest nieco zawyżony, co zapewnia wygodne warunki pracy do oceny wytrzymałości konstrukcji. Ilustracja 4 i ilustracja 1 przedstawiają spadki napięcia i gęstość prądu płytki ewaluacyjnej EVALSTDRIVE101 przy natężeniu 15Arms. Spadki napięcia w stosunku do uziemienia referencyjnego wskazują na szczególnie zoptymalizowany układ, bez wąskich gardeł i z dobrze wyważonymi wyjściami przy wartościach 28mV, 25mV i 23mV dla U, V i W. Wyjście U wykazuje najwyższy spadek napięcia, podczas gdy wyjście W - najniższy spośród trzech, ze względu na krótszą ścieżkę od złącza zasilania. Prądy są dobrze rozłożone na różnych ścieżkach, a ich średnia gęstość nie przekracza 15A/mm2, co jest zalecaną wartością dla rozmiarów ścieżek mocy. Niektóre obszary w pobliżu tranzystorów MOSFET, rezystorów bocznikowych i złączy są zaznaczone na czerwono. Oznaczają one większą gęstość prądu, ponieważ zaciski komponentów są mniejsze niż podstawowe ścieżki mocy. Jednak maksymalna gęstość prądu jest znacznie niższa od granicznej 50A/mm2, która mogłaby realnie prowadzić do problemów z niezawodnością.

Symulator umożliwia projektantom konfigurowanie i uruchamianie symulacji dla stanu ustalonego lub nieustalonego. Pierwsza symulacja zawiera jedną dwuwymiarową mapę temperatur dla warstw i komponentów, natomiast druga zawiera mapy dla każdej symulowanej krzywej czasu dla błyskawicznego i stopniowego nagrzewania kosztem dłuższego czasu symulacji. Ustawienia potrzebne do symulacji stanu ustalonego mogą być zastosowane do symulacji stanu nieustalonego, ale dodatkowo wymaga to zdefiniowania funkcji strat mocy dla komponentów. Symulacje stanu nieustalonego są odpowiednie przy definiowaniu różnych stanów pracy układu w przypadku kilku źródeł zasilania, które nie są aktywne jednocześnie, oraz przy ocenie czasu potrzebnego do osiągnięcia temperatury stanu ustalonego.

Ilustracja 4: Symulowane spadki napięcia warstwy wewnętrznej. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Symulacje dotyczące płytki ewaluacyjnej EVALSTDRIVE101 przeprowadzono w temperaturze otoczenia wynoszącej 28°C, wykorzystując współczynnik przejmowania ciepła jako warunek graniczny oraz dwurezystorowe modele termiczne dla urządzeń. Te modele zastosowano w miejsce szczegółowych modeli termicznych, takich jak Delphi, ponieważ są one bezpośrednio dostępne w arkuszach danych komponentów; choć w ten sposób w niewielkim stopniu poświęcono dokładność symulacji. Wyniki stanu ustalonego dla płytki ewaluacyjnej EVALSTDRIVE101 przedstawiono na ilustracji 4, a wyniki symulacji stanu nieustalonego na ilustracji 5. W symulacji stanu nieustalonego zastosowano funkcje mocy skokowej, które umożliwiły włączenie wszystkich rezystorów MOSEFT i rezystorów bocznikowych w chwili zero. Symulacje pozwoliły zidentyfikować obszar półmostka U jako najgorętszy obszar płyty. Temperatura Q1 tranzystora MOSFET (strona wysoka) wyniosła 94,06°C, z kolei temperatura Q4 tranzystora MOSFET (strona niska) i temperatury rezystorów bocznikowych R24 i R23 wyniosły odpowiednio 93,99°C, 85,34°C i 85,58°C.

Ilustracja 5: Symulowane nagrzewanie się komponentów półmostka U. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)