適用于電池供電設(shè)備的熱感知高功率高壓板

電池供電馬達(dá)控制方案為設(shè)計(jì)人員帶來多項(xiàng)挑戰(zhàn)，例如，優(yōu)化印刷電路板熱效能至今仍十分棘手且耗時(shí)；但現(xiàn)在，應(yīng)用設(shè)計(jì)人員可利用現(xiàn)代化電熱仿真器輕松縮短上市時(shí)間。

如今，電池供電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)解決方案通常可用極低的工作電壓提供數(shù)百瓦的功率。在此類應(yīng)用中，為確保整個(gè)系統(tǒng)的效能和可靠性，必須正確管理馬達(dá)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的電流。事實(shí)上，馬達(dá)電流可能會(huì)超過數(shù)十安培，導(dǎo)致變流器內(nèi)部耗散功率提升。為變流器組件施加較高的功率將會(huì)導(dǎo)致運(yùn)作溫度升高，效能下降，如果超過最額定功率，甚至?xí)蝗煌Ｖ惯\(yùn)作。

優(yōu)化熱效能同時(shí)縮小大小，是變流器設(shè)計(jì)過程中的重要一環(huán)，若處理不當(dāng)便可能埋下禍根。用現(xiàn)場驗(yàn)證方法依續(xù)改善樣品生產(chǎn)可解決此問題，但電熱評估是完全分開的兩個(gè)過程，并且在設(shè)計(jì)過程中從未考慮電 - 熱偶合效應(yīng)，故經(jīng)常導(dǎo)致多次重復(fù)設(shè)計(jì)與延長產(chǎn)品上市時(shí)間。

目前電熱評估有一種更有效的替代方法可利用現(xiàn)代化模擬技術(shù)，優(yōu)化馬達(dá)控制系統(tǒng)的電熱效能。Cadence Celsius Thermal Solver溫度仿真器為可用于系統(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(gè)角度全面精準(zhǔn)地評估設(shè)計(jì)效能。意法半導(dǎo)體用Celsius軟件改善EVALSTDRIVE101評估板的熱效能，開發(fā)出輸出電流高達(dá)15 Arms的三相無刷馬達(dá)變流器，提供開發(fā)變流器的終端應(yīng)用設(shè)計(jì)人員作參考。文中將講解如何減少熱優(yōu)化工作量，并讓EVALSTDRIVE101達(dá)到生產(chǎn)級解決方案。

EVALSTDRIVE101
EVALSTDRIVE101基于75 V三半橋閘極驅(qū)動(dòng)器STDRIVE101和六個(gè)連成三個(gè)半橋的STL110N10F7功率MOSFET開關(guān)二極管。STDRIVE101采用4x4mm四方扁平無腳位（QFN）封裝，整合安全保護(hù)功能，適合電池供電解決方案。

Celsius顯著地簡化了EVALSTDRIVE101的熱電效能優(yōu)化過程，能于短時(shí)間做到尺寸精密的可靠設(shè)計(jì)。以下所示的仿真結(jié)果用于反復(fù)調(diào)整組件的位置，優(yōu)化板層和繞線的形狀，調(diào)整板層厚度，增加或移除通孔，最終取得生產(chǎn)級變流器解決方案。優(yōu)化后，EVALSTDRIVE101是一塊覆銅2oz的四層PCB板，寬11.4公分，高9公分，且使用36 V電池電壓可向負(fù)載提供高達(dá)15 Arms電流。熱學(xué)方面，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)二極管、分流電阻、陶瓷旁路電容、大容量電解電容和連接器。

此部分之布局設(shè)計(jì)被大幅縮小，僅占整個(gè)電路板尺寸的一半，即50cm2。該MOSFET的擺放與繞線都經(jīng)過慎重考慮，因?yàn)樵谶\(yùn)作期間，變流器大部分功率損耗皆由這些開關(guān)二極管造成的。所有MOSFET汲極端子的覆銅面積在頂層最大，其它層則盡可能維持相同大小或加大，以改善向底層表面導(dǎo)熱的熱傳輸效率。

如此一來，電路板的正面和背面皆有助于空氣自然對流和熱輻射。直徑0.5mm的通孔負(fù)責(zé)各層之間的電連接和熱傳輸，促進(jìn)空氣流動(dòng)并改善冷卻效果。通孔網(wǎng)格位于MOSFET裸露焊盤的正下方，但通孔直徑縮小至0.3mm，以防止錫膏于孔中回流。

預(yù)估功耗

EVALSTDRIVE101的熱優(yōu)化過程從評估變流器運(yùn)行期間的耗散功率開始，變流器是溫度仿真器的一個(gè)輸入端。變流器損耗分兩類：在電路板繞線內(nèi)因焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的功率損耗和電子組件造成的功率損耗。雖然Celsius可透過直接導(dǎo)入電路板設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)精確計(jì)算電流密度和電路板損耗，但是，還必須考慮電子組件引起的損耗。雖然電路仿真器可以提供非常準(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(shí)上，制造商可能無法獲得組件的電氣模型，且因缺乏建模數(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，引起變流器耗散功率的主要原因是分流電阻器Psh和MOSFET內(nèi)部的功率損耗。這些損耗包含：導(dǎo)通損耗Pcond、開關(guān)損耗Psw和二極管壓降損耗Pdt每個(gè)MOSFET的預(yù)估耗散功率為1.303 W，每個(gè)分流電阻器的預(yù)估耗散功率為 0.281 W。

熱模擬

Celsius供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行熱仿真實(shí)驗(yàn)，包含系統(tǒng)電氣分析，顯示走線和通孔的電流密度和電壓降。這些仿真試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)人員必須在系統(tǒng)中使用電路模型，定義相關(guān)電流回路。圖1所示是EVALSTDRIVE101的每個(gè)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(gè)恒流源產(chǎn)生器和三個(gè)旁通 MOSFET和分流電阻器的短路。這兩個(gè)電流回路與整個(gè)電源軌和接地層的實(shí)際平均電流非常接近，而輸出路徑電流略微高一點(diǎn)，便于評估設(shè)計(jì)穩(wěn)定性。

 
圖1 : 電流環(huán)路模型

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(gè)板子的設(shè)計(jì)經(jīng)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(shí)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?yàn)閃埠到電源連接器的路徑長度較短。電流于各個(gè)路徑中分布均衡，平均密度低于15 A/mm2，正是電源走線尺寸的推薦值。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?yàn)檫@些組件的端子比下面的電源繞線小。然而，最大電流密度遠(yuǎn)低于50 A/mm2的限制，可能于實(shí)際應(yīng)用中引發(fā)可靠性問題。



 
圖2

 
圖3 : 內(nèi)層電壓降模擬

仿真器供設(shè)計(jì)人員安裝并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬或瞬時(shí)模擬測試。穩(wěn)態(tài)仿真提供板層和組件的2D溫度圖，而瞬時(shí)仿真則提供每個(gè)仿真時(shí)刻的溫度圖和升溫曲線，但仿真時(shí)間更長。穩(wěn)態(tài)模擬工具可以用于瞬時(shí)模擬，但還需要另外為組件定義耗散功率函數(shù)。瞬時(shí)仿真適用于為系統(tǒng)定義工作狀態(tài)、電源非同時(shí)運(yùn)作與評估達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度所需的時(shí)間。

EVALSTDRIVE101的仿真實(shí)驗(yàn)之環(huán)境溫度條件是28 °C，并以傳熱系數(shù)作為邊界條件，組件分析采用雙電阻熱模型代替Delphi等復(fù)雜的熱模型，可直接從組件數(shù)據(jù)手冊中獲得模型，但會(huì)稍微犧牲模擬精確度。圖4所示為EVALSTDRIVE101的穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果，圖5是瞬時(shí)模擬結(jié)果。瞬時(shí)仿真使用階躍功率函數(shù)，以零時(shí)間啟用所有MOSEFT和分流電阻器。仿真結(jié)果確定U半橋區(qū)域是電路板上最熱的區(qū)域。Q1 MOSFET（高側(cè)）溫度為94.06°C，緊隨其后的是Q4 MOSFET（低側(cè)）、R24和R23分流電阻器，分別為93.99°C、85.34°C 和85.58°C。

 
圖4

 
圖5 : U端口半橋組件升溫仿真值

熱示性實(shí)驗(yàn)設(shè)備

EVALSTDRIVE101熱效能實(shí)驗(yàn)示性是在組裝完成的電路板上進(jìn)行的。為方便實(shí)驗(yàn)，沒有用連接到制動(dòng)臺的馬達(dá)，而是考慮使用一個(gè)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(dòng)訊號，并放置在有機(jī)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影機(jī)（日本航空電子公司的 TVS-200型），透過盒蓋上的一個(gè)孔，將電路板全部收入拍攝框內(nèi)。電路板輸出端連接一個(gè)三相負(fù)載，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用36 V電源。負(fù)載是由三個(gè)連成星形結(jié)構(gòu)的線圈組成，以模擬真實(shí)的馬達(dá)工作特性。每個(gè)線圈皆為30 A的飽和電流、300μH的電感和25 mΩ的寄生電阻。低寄生電阻大幅降低線圈內(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。透過控制板施加適當(dāng)?shù)恼译妷?，在線圈內(nèi)部產(chǎn)生三個(gè)15 Arms的正弦電流。使用這種方法，功率級運(yùn)作環(huán)境非常接近馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)際應(yīng)用的條件下，優(yōu)點(diǎn)是不需要任何控制回路。


 
圖6 : 熱示性試驗(yàn)裝置

功率損耗測量

功率級中各個(gè)組件的耗散功率的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性無疑是影響模擬結(jié)果的一大因素。MOSFET與分流電阻的數(shù)據(jù)是使用簡化公式計(jì)算而來，故提出了近似值。于電路板上進(jìn)行測量以評估量化耗散功率時(shí)的誤差。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(diǎn)計(jì)算每個(gè)測量點(diǎn)的電壓和電流的乘積；接著計(jì)算在一個(gè)整數(shù)正弦周期數(shù)內(nèi)的平均功率。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(shí)的高溫測量。

結(jié)果證明，測量值與預(yù)估值非常相近，與提出的近似值一致。于室溫時(shí)，公式高估測量值1.5%，在高溫條件下，低估測量值大約3.9%。此結(jié)果與MOSFE導(dǎo)通電阻和分流電阻的可變性一致，因?yàn)樵谟?jì)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，高溫功率值皆比室溫功率值高，符合預(yù)期。數(shù)據(jù)亦顯示三個(gè)輸出的測量功率存在差異，是因?yàn)槿嘭?fù)載不均衡所造成，因每個(gè)線圈的L和R值略有不同。然而因觀察到的差值低于測量和預(yù)估之間的偏差，故其影響微不足道。

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。紅外線熱影像儀設(shè)為每15秒拍攝一次熱圖像，每次拍照都包括組件Q1、Q4和R23的三個(gè)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(shí)檢測到箱內(nèi)環(huán)境溫度約為 28°C。

圖7顯示出從溫度標(biāo)記導(dǎo)出的電路板升溫瞬時(shí)，圖8顯示電路板上的最終溫度。測量結(jié)果表明，Q1 MOSFET是整個(gè)電路板中最熱的組件，溫度為93.8°C，而Q4 MOSFET和R23電阻分別達(dá)到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)果非常相近。直接比較圖5與圖7不難發(fā)現(xiàn)，散熱瞬時(shí)時(shí)間常數(shù)亦接近一致。


 
圖7 : U端口半橋組件升溫測量值

 

圖8 : 頂層穩(wěn)態(tài)溫度測量

結(jié)論
意法半導(dǎo)體最近發(fā)布了利用Cadence Celsius Thermal Solver溫度仿真器開發(fā)的EVALSTDRIVE101評估板。該電路板可驅(qū)動(dòng)電池供電設(shè)備的高功率低電壓三相無刷馬達(dá)。這塊板子包含一個(gè)精密的50 cm2功率級，無需散熱器或加裝冷卻設(shè)備即可提供馬達(dá)超過15 Arms的電流。

使用溫度仿真器內(nèi)部的不同仿真功能，不僅可以預(yù)測電路板的溫度分布及功率級組件的熱點(diǎn)，還可以詳細(xì)描述電源繞線的電壓降和電流密度，而這十分困難或甚至無法透過實(shí)驗(yàn)測量獲得。

自設(shè)計(jì)初期至最終定案的整個(gè)開發(fā)過程中，模擬結(jié)果可讓開發(fā)者快速優(yōu)化電路板布局設(shè)計(jì)，調(diào)整組件位置，改善布局缺陷。紅外線熱影像儀的熱示性測試顯示出穩(wěn)態(tài)溫度以及瞬時(shí)溫度曲線的仿真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效能，溫度仿真器可幫助設(shè)計(jì)人員降低設(shè)計(jì)余裕，加速產(chǎn)品上市。

(本文作者P. Lombardi, D. Cucchi, E. Poli于意法半導(dǎo)體，S. Djordjevic, M. Biehl, M. Roshandell于Cadence)