Płytka przemiennika wysokiej mocy do zastosowań bateryjnych

Konfiguracja charakterystyki termicznej

Po zakończeniu produkcji stworzono charakterystykę parametrów termicznych płytki ewaluacyjnej EVALSTDRIVE101. Zamiast używać silnika podłączonego do stanowiska hamulcowego, wykorzystano stanowisko testowe o równoważnej konfiguracji ze względu na łatwość wdrożenia, co pokazano na ilustracji 6. Płytkę ewaluacyjną EVALSTDRIVE101 podłączono do płytki sterującej w celu wygenerowania niezbędnych sygnałów sterujących i umieszczono wewnątrz skrzynki z pleksiglasu w celu uzyskania chłodzenia układu przez konwekcję bez przypadkowego przepływu powietrza. Nad skrzynką umieszczono jedną kamerę termowizyjną (model TVS-200 firmy Nippon Avionics), która objęła polem widzenia płytkę przez otwór w pokrywie pudełka. Do wyjść płytki podłączono odbiornik trójfazowy, a układ zasilono prądem o napięciu 36V. Odbiornik składał się z trzech cewek połączonych w konfiguracji gwiazdy mającej emulować silnik. Każda cewka ma 30A prądu nasycenia, 300µH indukcyjności i zaledwie 25mΩ rezystancji pasożytniczej. Niska rezystancja pasożytnicza zmniejszyła efekt Joule'a wewnątrz cewek na rzecz bezstratnego przekazywania mocy pomiędzy płytką a odbiornikiem. W cewkach wygenerowano trzy prądy sinusoidalne o natężeniu 15Arms, stosując odpowiednie napięcia sinusoidalne za pośrednictwem płytki sterującej. Dzięki tej metodzie stopień mocy pracował w warunkach bardzo zbliżonych do docelowego układu sterowania silnikiem, które jednak nie wymagały pętli sterowania.

Pomiar strat mocy

Jednym z czynników wpływających na jakość wyników symulacji jest z pewnością dokładność danych dotyczących strat mocy na każdym urządzeniu na stopniu mocy. Dane te uzyskano przy użyciu uproszczonych wzorów zarówno dla tranzystorów MOSFET, jak i rezystorów bocznikowych, w związku z czym stanowią one pewne przybliżenie. Na płytce przeprowadzono pomiar, aby dokonać ewaluacji błędu w określeniu ilościowym strat mocy. Straty mocy Ploss płytki zmierzono jako różnicę między mocą wejściową Pin a mocą dostarczaną do odbiornika na trzech wyjściach PUout, PvoutVout i PWout. Pomiar wykonano za pomocą oscyloskopu (model HDO6104-MS firmy Teledyne LeCroy) i zastosowano odpowiednie funkcje matematyczne do przebiegów: najpierw obliczono iloczyn napięcia i natężenia prądu w poszczególnych punktach, a następnie uśredniono moc dla cykli sinusoidalnych w liczbie równej liczbie całkowitej. Poniższa tabela przedstawia wyniki pomiarów w temperaturze otoczenia i w stanie gorącym po osiągnięciu przez stopień mocy stanu ustalonego. Podana jest również ogólna wartość strat mocy na płytce, uprzednio oszacowana za pomocą wzorów.

Wyniki wykazują bardzo dobre dopasowanie między pomiarami a szacunkami, co jest zgodne z zastosowanymi przybliżeniami. Przy wykorzystaniu wzorów uzyskuje się przeszacowanie pomiaru w temperaturze pokojowej na poziomie 1,5%, co stanowi mniej więcej 3,9% niedoszacowania w porównaniu z danymi dotyczącymi gorących warunków. Wynik ten jest zgodny ze zmiennością związaną z rezystancją w stanie włączenia tranzystorów MOSFET i rezystorów bocznikowych, ponieważ w obliczeniach użyto wartości nominalnych. Zgodnie z oczekiwaniami wszystkie wartości mocy w wysokiej temperaturze były wyższe niż w temperaturze pokojowej z powodu wzrostu rezystancji cewek i tranzystorów MOSFET wraz ze wzrostem temperatury. Dane wykazują również różnice między zmierzonymi mocami dla trzech wyjść. Efekt ten wynika z niewyważenia odbiornika trójfazowego, z powodu nieco odmiennych wartości L i R między cewkami. Efekt ten odgrywa jednak marginalną rolę, ponieważ zaobserwowana dysproporcja jest niższa od różnicy między pomiarami a szacunkiem.

Wyniki temperaturowe

Generowanie prądów sinusoidalnych w odbiorniku i akwizycja obrazów termicznych za pomocą kamery termowizyjnej zostały uaktywnione jednocześnie. Kamerę termowizyjną wcześniej skonfigurowano tak, aby przechwytywała obrazy termowizyjne co 15 sekund i do każdego przechwyconego obrazu dołączała trzy znaczniki temperatury dla komponentów Q1, Q4 i R23. Układ pozostawał aktywny do momentu osiągnięcia stanu ustalonego po około 25 minutach. Temperatura otoczenia wykryta wewnątrz skrzynki na końcu testu wynosiła około 28°C. Ilustracja 7 przedstawia stan nieustalony temperatury płytki, który został uzyskany na podstawie znaczników temperatury, a ilustracja 8 przedstawia stan ustalony temperatury na płytce. Pomiar wykazał, że tranzystor MOSFET Q1 był najgorętszym komponentem na całej płytce, osiągając temperaturę 93,8°C, podczas gdy tranzystor MOSFET Q4 i rezystor R23 osiągnęły temperaturę odpowiednio 91,7°C i 82,6°C. Jak już wcześniej wspomniano, symulacja w oprogramowaniu Celsius™ wykazała temperaturę Q1 tranzystora MOSFET na poziomie 94,06°C, Q4 tranzystora MOSFET na poziomie 93,99°C i R23 rezystora na poziomie 85,58°C, zapewniając bardzo dobrą zgodność z pomiarami. Tę samą zbieżność można również znaleźć w stałej czasowej stanu nieustalonego temperatury, co można łatwo zauważyć w bezpośrednim porównaniu ilustracji 5 z ilustracją 7.

Podsumowanie

Firma STMicroeletronics wprowadziła niedawno na rynek płytkę ewaluacyjną EVALSTDRIVE101, która została zaprojektowana z myślą o wykorzystaniu oprogramowania Cadence® Celsius™ Thermal Solver. Płytka jest ukierunkowana na sterowanie trójfazowymi silnikami bezszczotkowymi wysokiej mocy i niskiego napięcia, wymagane w zastosowaniach bateryjnych. Zawiera kompaktowy stopień mocy 50cm2, który może dostarczyć do silnika prąd o natężeniu ponad 15Arms bez użycia radiatora czy dodatkowego chłodzenia. Wykorzystując różne funkcje symulatora termicznego, możliwe było nie tylko przewidzenie profilu temperatury płytki i jej gorących punktów na komponentach stopnia mocy, ale także uzyskanie szczegółowego opisu spadków napięcia i gęstości prądu wzdłuż ścieżek mocy, który byłby trudny lub całkiem niemożliwy do uzyskania przez pomiary eksperymentalne. Wyjścia symulacyjne umożliwiły szybką optymalizację układu płytki, dostosowanie rozmieszczenia jej komponentów i skorygowanie słabych punktów układu od wczesnych faz projektu do momentu jego zatwierdzenia. Charakterystyka termiczna kamery termowizyjnej wykazała dobrą zbieżność między symulowanymi i zmierzonymi temperaturami w stanie ustalonym, a także profilem temperatury w stanie nieustalonym, dowodząc wyjątkowych parametrów działania płytki i skuteczności symulatora termicznego w zmniejszaniu marginesu projektowego i osiąganiu krótkiego czasu wprowadzania produktu na rynek.

Autorzy: Prospero Lombardi, Dario Cucchi, Enrico Poli, Srdjan Djordjevic, Martin Biehl, Melika Roshandell

Kontakt w Polsce

Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl