大功率電池供電設(shè)備逆變器板如何助力熱優(yōu)化

如今，電池供電電機驅(qū)動解決方案通?？梢杂梅浅５偷墓ぷ麟妷禾峁?shù)百瓦的功率。在這些應(yīng)用中，為確保整個系統(tǒng)的能效和可靠性，必須正確管理電機驅(qū)動設(shè)備的電流 。事實上，電機電流可能會超過數(shù)十安培，導(dǎo)致逆變器內(nèi)部耗散功率提高。給逆變器元器件施加較高的功率將會導(dǎo)致逆變器工作溫度升高，性能下降，如果超過最大允許額定功率，甚至?xí)蝗煌Ｖ构ぷ?。?yōu)化熱性能同時縮減尺寸，是逆變器設(shè)計過程中的重要一環(huán)，如果處理不當(dāng)，可能會埋下隱患。用現(xiàn)場驗證方法連續(xù)改進原型生產(chǎn)可以解決這個問題，但是，電熱評估是完全分開的兩個過程，并且在設(shè)計過程中從未考慮電-熱耦合效應(yīng)，因為這會導(dǎo)致多次重復(fù)設(shè)計，延長產(chǎn)品上市時間。目前電熱評估有一種更有效的替代方法，就是利用現(xiàn)代模擬技術(shù)優(yōu)化電機控制系統(tǒng)的電熱性能。Cadence^? Celsius? Thermal Solver溫度模擬器是行業(yè)領(lǐng)先的用于系統(tǒng)分析的電熱協(xié)同仿真軟件，可在短短幾分鐘內(nèi)從電熱兩個角度全面準(zhǔn)確地評估設(shè)計性能。作為世界領(lǐng)先的工業(yè)電機控制集成電路制造商，意法半導(dǎo)體用Celsius? 軟件改進了EVALSTDRIVE101 評估板的熱性能，開發(fā)出一個輸出電流高達(dá) 15 Arms的三相無刷電機逆變器，為終端應(yīng)用設(shè)計人員開發(fā)逆變器提供了一個參考。在本文中，我們借此機會講解如何減少熱優(yōu)化工作量，同時讓EVALSTDRIVE101 達(dá)到生產(chǎn)級解決方案。

圖1 電流環(huán)路模型

EVALSTDRIVE101

EVALSTDRIVE101 基于75 V三半橋柵極驅(qū)動器STDRIVE101和六個連成三個半橋的STL110N10F7 功率 MOSFET開關(guān)管。STDRIVE101采用4x4 毫米四方扁平無引腳 (QFN)封裝，集成安全保護功能，非常適合電池供電解決方案。Celsius? 顯著簡化了 EVALSTDRIVE101的熱電性能優(yōu)化過程，能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)尺寸緊湊的可靠設(shè)計。下面所示的模擬結(jié)果用于反復(fù)調(diào)整元器件的位置，改進板層和跡線的形狀，調(diào)整板層厚度，增加或移除通孔，最終得到一個生產(chǎn)級逆變器解決方案。優(yōu)化后，EVALSTDRIVE101是一塊覆銅厚度2 oz的四層PCB板，寬 11.4 厘米，高 9 厘米，使用 36 V 電池電壓向負(fù)載提供高達(dá) 15 Arms 電流。從熱角度來看，EVALSTDRIVE101最關(guān)鍵的地方是功率級區(qū)域，其中包括功率MOSFET開關(guān)管、檢流電阻、旁路陶瓷電容、大容量電解電容和輸出端口。這部分的布局被大幅縮小，僅占整個電路板尺寸的一半，即 50 cm2。在這里，MOSFET 的放置和布線經(jīng)過特別慎重考慮，因為在工作期間，逆變器大部分功率損耗都是由這些開關(guān)管造成的。所有MOSFET漏極端子的覆銅面積在頂層最大，在其它層盡可能做同樣大或更大，以改善向底層表面導(dǎo)熱的熱傳輸效率。通過這種方式，電路板的正面和背面都有助于空氣自然對流和熱輻射。直徑 0.5 毫米的通孔負(fù)責(zé)不同層之間的電連接和熱傳輸，促進空氣流動并改善冷卻效果。通孔網(wǎng)格位于 MOSFET 裸露焊盤的正下方，但通孔直徑減小到 0.3 毫米，以防止焊膏在孔中回流。

圖3 內(nèi)層電壓降模擬

功耗估算

EVALSTDRIVE101的熱優(yōu)化過程是從評估逆變器運行期間的耗散功率開始的，逆變器是溫度模擬器的一個輸入端。逆變器損耗分為兩類：在電路板跡線內(nèi)因焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的功率損耗和電子元件造成的功率損耗。雖然Celsius? 可以通過直接導(dǎo)入電路板布局?jǐn)?shù)據(jù)精確計算電流密度和電路板損耗，但是，還必須考慮電子元件引起的損耗。雖然電路模擬器可以提供非常準(zhǔn)確的結(jié)果，但我們還是決定用簡化的公式算出合理的功率損耗，提出近似值。事實上，制造商可能無法獲得元器件的電氣模型，而且，因為缺乏建模數(shù)據(jù)，難以或無法從頭開始建模，而我們提供的公式僅需要產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊的基本信息。排除次生現(xiàn)象，引起逆變器耗散功耗的主要原因是檢流電阻器 P_sh 和 MOSFET內(nèi)部的功率損耗。這些損耗包括：導(dǎo)通損耗P_cond、開關(guān)損耗P_sw和二極管壓降損耗P_dt:

P_sh=  (R_sh?I_l^2)/2 

P_cond  ~  (R_on?I_l^2?(1-2?t_dt?f))/2 

P_sw  ~  (f?V_s?I_l?((Q_p?R_g)/(V_gd-V_p )+Q_p/I_gd +R_g?C_iss?ln((V_gd-V_th)/(V_gd-V_p ))+(C_iss?(V_p-V_th ))/I_gd ))/4 

P_dt  ~ V_d?I_l?t_dt?f 

參數(shù) 定義 數(shù)值

I_l 逆變器輸出電流 15 Arms

V_s 逆變器電源電壓 36 V

t_dt 死時 500 ns

f 開關(guān)頻率 20 kHz

R_on MOSFET 導(dǎo)通電阻 5 m?

Q_p MOSFET 米勒平臺電荷 18 nC

V_p MOSFET 平臺電壓 6 V

V_th MOSFET導(dǎo)通閾壓 3 V

C_iss MOSFET輸入電容 5117 pF

V_d MOSFET體二極管正向電壓 1 V

V_gd STDRIVE101柵極驅(qū)動電壓 12 V

R_g 導(dǎo)通柵極驅(qū)動電阻 33 ?

I_gd STDRIVE101灌電流 0.6 A

R_sh 檢流電阻 5 m?

每個 MOSFET 的估算耗散功率為1.303 W，每個檢流電阻器的估算耗散功率為 0.281 W。

圖4 頂層穩(wěn)態(tài)溫度模擬

熱模擬

Celsius?可以讓設(shè)計人員做熱模擬實驗，包括系統(tǒng)電氣分析，顯示走線和通孔的電流密度和電壓降。這些模擬試驗要求設(shè)計人員必須在系統(tǒng)中使用電路模型，定義相關(guān)電流環(huán)路。圖1所示是EVALSTDRIVE101的每個半橋所用的電路模型。模型包括位于輸出和電源輸入之間的兩個恒流發(fā)生器和三個旁通 MOSFET 和檢流電阻器的短路。這兩個電流環(huán)路與整個電源軌和接地層的實際平均電流非常接近，而輸出路徑電流略微高一點，便于評估設(shè)計韌性。圖 2 和圖 3 顯示了電流為 15 Arms的EVALSTDRIVE101 的電壓降和電流密度。對地參考電壓的壓降突出了這個板子的布局經(jīng)過特別優(yōu)化，沒有瓶頸，并且 U、V 和 W 的輸出端在 43 mV、39 mV 和 34 mV 時電壓降非常均衡。U輸出端的壓降最大，而W輸出端的壓降是三者中最低的，因為W端口到電源連接器的路徑長度較短。電流在各個路徑中分布均衡，平均密度低于 15 A/mm2，這是走線尺寸的功率推薦值。在 MOSFET、分流電阻器和連接器附近的一些區(qū)域是紅色的，這代表電流密度較高，因為這些元器件的端子比下面的電源跡線小。不過，最大電流密度遠(yuǎn)低于 50 A/mm2 的限制，在實際應(yīng)用中不會導(dǎo)致可靠性問題發(fā)生。

模擬器使設(shè)計人員能夠安裝運行穩(wěn)態(tài)模擬或瞬態(tài)模擬測試。穩(wěn)態(tài)模擬提供一個板層和組件的2D溫度圖，而瞬態(tài)模擬則提供每個模擬時刻的溫度圖和升溫曲線，但模擬時間更長。穩(wěn)態(tài)模擬工具可以用于瞬態(tài)模擬，但還需要另外為組件定義耗散功率函數(shù)。瞬態(tài)模擬適用于為電源不是同時工作的系統(tǒng)定義工作狀態(tài)和評估達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度所需的時間。

EVALSTDRIVE101的模擬實驗條件是 28 °C 環(huán)境溫度，以傳熱系數(shù)作為邊界條件，器件分析采用雙電阻熱模型代替 Delphi 等詳細(xì)熱模型，可以直接從元器件數(shù)據(jù)手冊中獲得模型，不過會略微犧牲模擬精度。圖 4 所示是EVALSTDRIVE101 的穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果，圖 5 是瞬態(tài)模擬結(jié)果。瞬態(tài)模擬使用了階躍功率函數(shù)，以零時間啟用所有 MOSEFT 和檢流電阻器。模擬結(jié)果確定 U 半橋區(qū)域是電路板上最熱的區(qū)域。 Q1 MOSFET（高邊）溫度為 94.06 °C，緊隨其后的是 Q4 MOSFET（低邊）、R24 和 R23 檢流電阻器，分別為 93.99 °C、85.34 °C 和 85.58 °C。

圖5 U端口半橋器件升溫模擬值

熱表征實驗裝置

EVALSTDRIVE101 熱性能實驗表征是在組裝好的電路板上做的。為了方便實驗，沒有用連接到制動臺的電機，而是考慮使用一個等效的測試臺，如圖 6 所示。EVALSTDRIVE101 連接到控制板，生成所需的驅(qū)動信號，并放置在有機玻璃箱內(nèi)，以獲得空氣對流冷卻，避免意外的空氣對流。在盒子上方放置了一臺熱成像攝像機（日本航空電子公司的 TVS-200 型），通過盒蓋上的一個孔，將電路板全部收入拍攝框內(nèi)。電路板輸出端連接一個三相負(fù)載，驅(qū)動系統(tǒng)使用36 V電源。負(fù)載是由三個連成星形結(jié)構(gòu)的線圈組成，以模擬真實的電機工作特性。每個線圈都是 30 A 的飽和電流、300 μH 的電感和 25 mΩ 的寄生電阻。低寄生電阻大大降低了在線圈內(nèi)部的焦耳熱效應(yīng)，有利于電路板和負(fù)載之間的功率無損傳輸。通過控制板施加適當(dāng)?shù)恼译妷海诰€圈內(nèi)部產(chǎn)生三個15 Arms 的正弦電流。使用這種方法，功率級工作環(huán)境非常接近電機驅(qū)動實際應(yīng)用的工作條件下，優(yōu)點是不需要任何控制回路。

圖6 熱表征試驗裝置

功率損耗測量

功率級每個器件的耗散功率的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性無疑是影響模擬結(jié)果的一個因素。MOSFET 和檢流電阻的數(shù)據(jù)是使用簡化公式計算得來，因此提出了近似值。測量電路板，以評估耗散功率的量化誤差。電路板的功率損耗 Ploss的測量值是輸入功率 P_in與三個輸出端P_out^U, P_out^V, P_out^W 供給負(fù)載的輸出功率的差值。使用示波器（Teledyne LeCroy 的 HDO6104-MS 型）測量，并在波形中使用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)函數(shù)：首先，逐點計算每個測量點的電壓和電流的乘積；然后，計算在一個整數(shù)正弦周期數(shù)內(nèi)的平均功率。下表列出了在環(huán)境溫度下的測量數(shù)據(jù)和功率級達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時的高溫測量結(jié)果，還給出了前面用公式估算的電路板耗散功率。

功率 測量 

@ Tamb [W] 測量

@ Thot [W] 估算

[W]

P_in 27.51 28.39 -

P_out^U 5.6 5.7 -

P_out^V 6.5 6.6 -

P_out^W 6.1 6.2 -

P_loss 9.36 9.89 9.5

結(jié)果表明，測量值和估算值之間非常接近，與提出的近似值一致。在室溫時，公式高估測量值1.5%，在高溫條件，低估測量值大約 3.9%。這個結(jié)果與 MOSFET導(dǎo)通電阻和檢流電阻的可變性一致，因為在計算中使用的是標(biāo)稱值。由于線圈電阻和 MOSFET 電阻隨溫度升高而增加，高溫功率值都比室溫功率值高，符合預(yù)期。數(shù)據(jù)還顯示三個輸出的測量功率存在差異。這種現(xiàn)象是因為三相負(fù)載不均衡造成的，因為每個線圈的 L 和 R 值略有不同。然而，這種影響起到的作用微不足道，因為觀察到的差值低于測量和估算之間的差值。

圖7 U端口半橋器件升溫測量值

溫度結(jié)果 

在負(fù)載內(nèi)產(chǎn)生正弦電流和熱像儀采集拍照是同步的。紅外熱像儀設(shè)為每 15 秒拍攝一次熱圖像，每次拍照都包含元器件 Q1、Q4 和 R23 的三個溫度標(biāo)記。系統(tǒng)保持工作狀態(tài)，直到大約 25 分鐘后達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件為止。在測試結(jié)束時檢測到箱內(nèi)環(huán)境溫度約為 28°C。圖 7 顯示了來自溫度標(biāo)記的電路板升溫瞬變，圖 8 顯示了電路板上的最終溫度。測量結(jié)果表明，Q1 MOSFET 是整個電路板中最熱的元器件，溫度為 93.8°C，而 Q4 MOSFET 和 R23 電阻分別達(dá)到了 91.7°C 和 82.6°C。根據(jù)前文的Celsius? 模擬結(jié)果，Q1 MOSFET是 94.06°C ，Q4 MOSFET 是93.99°C，R23是85.58°C，與測量結(jié)果非常接近。直接比較圖 5 與圖 7不難發(fā)現(xiàn)，散熱瞬態(tài)時間常數(shù)也是高達(dá)一致。

圖8 頂層穩(wěn)態(tài)溫度測量

總結(jié)

意法半導(dǎo)體最近發(fā)布了利用 Cadence^?Celsius? Thermal Solver溫度模擬器開發(fā)的EVALSTDRIVE101 評估板。該板電路板可以驅(qū)動電池供電設(shè)備的高功率低電壓三相無刷電機。這塊板子包括一個 50 cm² 的緊湊的功率級，無需散熱器或增裝冷卻設(shè)備即可向電機提供超過 15 Arms 的電流。使用溫度模擬器內(nèi)部的不同模擬功能，不僅可以預(yù)測電路板的溫度分布及功率級組件的熱點，還可以詳細(xì)描述電源跡線的電壓降和電流密度，而這很難或者根本不可能通過實驗測量獲得。在從設(shè)計初期到最終定案的整個開發(fā)過程中，模擬結(jié)果可以讓開發(fā)者快速優(yōu)化電路板布局，調(diào)整元器件位置，改進布局缺陷。紅外熱像儀熱表征測試表明，穩(wěn)態(tài)溫度以及瞬態(tài)溫度曲線的模擬值和測量值之間具有良好的一致性，證明電路板具有出色的性能，溫度模擬器可有效地幫助設(shè)計人員降低設(shè)計裕度，加快產(chǎn)品上市。