【導讀】電池供電電機控制方案為設計人員帶來(lái)多項挑戰，例如，優(yōu)化印刷電路板熱性能目前仍是一項棘手且耗時(shí)的工作；現在，應用設計人員可以用現代電熱模擬器輕松縮短上市時(shí)間。
大功率電池供電設備逆變器板如何助力熱優(yōu)化
電池供電電機控制方案為設計人員帶來(lái)多項挑戰，例如，優(yōu)化印刷電路板熱性能目前仍是一項棘手且耗時(shí)的工作；現在，應用設計人員可以用現代電熱模擬器輕松縮短上市時(shí)間。
如今，電池供電電機驅動(dòng)解決方案通?？梢杂梅浅５偷墓ぷ麟妷禾峁蛋偻叩墓β?。在這些應用中，為確保整個(gè)系統的能效和可靠性，必須正確管理電機驅動(dòng)設備的電流 。事實(shí)上，電機電流可能會(huì )超過(guò)數十安培，導致逆變器內部耗散功率提高。給逆變器元器件施加較高的功率將會(huì )導致逆變器工作溫度升高，性能下降，如果超過(guò)最大允許額定功率，甚至會(huì )突然停止工作。優(yōu)化熱性能同時(shí)縮減尺寸，是逆變器設計過(guò)程中的重要一環(huán)，如果處理不當，可能會(huì )埋下隱患。
用現場(chǎng)驗證方法連續改進(jìn)原型生產(chǎn)可以解決這個(gè)問(wèn)題，但是，電熱評估是完全分開(kāi)的兩個(gè)過(guò)程，并且在設計過(guò)程中從未考慮電-熱耦合效應，因為這會(huì )導致多次重復設計，延長(cháng)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，就是利用現代模擬技術(shù)優(yōu)化電機控制系統的電熱性能。Cadence? Celsius? Thermal Solver溫度模擬器是行業(yè)領(lǐng)先的用于系統分析的電熱協(xié)同仿真軟件，可在短短幾分鐘內從電熱兩個(gè)角度全面準確地評估設計性能。作為世界領(lǐng)先的工業(yè)電機控制集成電路制造商，意法半導體用Celsius? 軟件改進(jìn)了EVALSTDRIVE101 評估板的熱性能，開(kāi)發(fā)出一個(gè)輸出電流高達 15 Arms的三相無(wú)刷電機逆變器，為終端應用設計人員開(kāi)發(fā)逆變器提供了一個(gè)參考。在本文中，我們借此機會(huì )講解如何減少熱優(yōu)化工作量，同時(shí)讓EVALSTDRIVE101 達到生產(chǎn)級解決方案。
EVALSTDRIVE101
EVALSTDRIVE101 基于75 V三半橋柵極驅動(dòng)器STDRIVE101和六個(gè)連成三個(gè)半橋的STL110N10F7 功率 MOSFET開(kāi)關(guān)管。STDRIVE101采用4x4 毫米四方扁平無(wú)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(zhù)簡(jiǎn)化了 EVALSTDRIVE101的熱電性能優(yōu)化過(guò)程，能夠在短時(shí)間內實(shí)現尺寸緊湊的可靠設計。下面所示的模擬結果用于反復調整元器件的位置，改進(jìn)板層和跡線(xiàn)的形狀，調整板層厚度，增加或移除通孔，最終得到一個(gè)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 電池電壓向負載提供高達 15 Arms 電流。
從熱角度來(lái)看，EVALSTDRIVE101最關(guān)鍵的地方是功率級區域，其中包括功率MOSFET開(kāi)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(gè)電路板尺寸的一半，即 50 cm2。在這里，MOSFET 的放置和布線(xiàn)經(jīng)過(guò)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(kāi)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熱的熱傳輸效率。通過(guò)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 毫米的通孔負責不同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(pán)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。
功耗估算
EVALSTDRIVE101的熱優(yōu)化過(guò)程是從評估逆變器運行期間的耗散功率開(kāi)始的，逆變器是溫度模擬器的一個(gè)輸入端。逆變器損耗分為兩類(lèi)：在電路板跡線(xiàn)內因焦耳效應產(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(guò)直接導入電路板布局數據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確的結果，但我們還是決定用簡(jiǎn)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(wú)法獲得元器件的電氣模型，而且，因為缺乏建模數據，難以或無(wú)法從頭開(kāi)始建模，而我們提供的公式僅需要產(chǎn)品數據手冊的基本信息。排除次生現象，引起逆變器耗散功耗的主要原因是檢流電阻器 P_sh 和 MOSFET內部的功率損耗。這些損耗包括：導通損耗P_cond、開(kāi)關(guān)損耗P_sw和二極管壓降損耗P_dt:
每個(gè) MOSFET 的估算耗散功率為1.303 W，每個(gè)檢流電阻器的估算耗散功率為 0.281 W。
熱模擬
Celsius?可以讓設計人員做熱模擬實(shí)驗，包括系統電氣分析，顯示走線(xiàn)和通孔的電流密度和電壓降。這些模擬試驗要求設計人員必須在系統中使用電路模型，定義相關(guān)電流環(huán)路。圖1所示是EVALSTDRIVE101的每個(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)恒流發(fā)生器和三個(gè)旁通 MOSFET 和檢流電阻器的短路。這兩個(gè)電流環(huán)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(gè)板子的布局經(jīng)過(guò)特別優(yōu)化，沒(méi)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，因為W端口到電源連接器的路徑長(cháng)度較短。電流在各個(gè)路徑中分布均衡，平均密度低于 15 A/mm2，這是走線(xiàn)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(xiàn)小。不過(guò)，最大電流密度遠低于 50 A/mm2 的限制，在實(shí)際應用中不會(huì )導致可靠性問(wèn)題發(fā)生。
模擬器使設計人員能夠安裝運行穩態(tài)模擬或瞬態(tài)模擬測試。穩態(tài)模擬提供一個(gè)板層和組件的2D溫度圖，而瞬態(tài)模擬則提供每個(gè)模擬時(shí)刻的溫度圖和升溫曲線(xiàn)，但模擬時(shí)間更長(cháng)。穩態(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。瞬態(tài)模擬適用于為電源不是同時(shí)工作的系統定義工作狀態(tài)和評估達到穩態(tài)溫度所需的時(shí)間。
EVALSTDRIVE101的模擬實(shí)驗條件是 28 °C 環(huán)境溫度，以傳熱系數作為邊界條件，器件分析采用雙電阻熱模型代替 Delphi 等詳細熱模型，可以直接從元器件數據手冊中獲得模型，不過(guò)會(huì )略微犧牲模擬精度。圖 4 所示是EVALSTDRIVE101 的穩態(tài)模擬結果，圖 5 是瞬態(tài)模擬結果。瞬態(tài)模擬使用了階躍功率函數，以零時(shí)間啟用所有 MOSEFT 和檢流電阻器。模擬結果確定 U 半橋區域是電路板上最熱的區域。 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。
熱表征實(shí)驗裝置
EVALSTDRIVE101 熱性能實(shí)驗表征是在組裝好的電路板上做的。為了方便實(shí)驗，沒(méi)有用連接到制動(dòng)臺的電機，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，生成所需的驅動(dòng)信號，并放置在有機玻璃箱內，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(guò)盒蓋上的一個(gè)孔，將電路板全部收入拍攝框內。電路板輸出端連接一個(gè)三相負載，驅動(dòng)系統使用36 V電源。負載是由三個(gè)連成星形結構的線(xiàn)圈組成，以模擬真實(shí)的電機工作特性。每個(gè)線(xiàn)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(xiàn)圈內部的焦耳熱效應，有利于電路板和負載之間的功率無(wú)損傳輸。通過(guò)控制板施加適當的正弦電壓，在線(xiàn)圈內部產(chǎn)生三個(gè)15 Arms 的正弦電流。使用這種方法，功率級工作環(huán)境非常接近電機驅動(dòng)實(shí)際應用的工作條件下，優(yōu)點(diǎn)是不需要任何控制回路。
功率損耗測量
功率級每個(gè)器件的耗散功率的數據準確性無(wú)疑是影響模擬結果的一個(gè)因素。MOSFET 和檢流電阻的數據是使用簡(jiǎn)化公式計算得來(lái)，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(gè)輸出端P_out^U, P_out^V, P_out^W 供給負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的數學(xué)函數：首先，逐點(diǎn)計算每個(gè)測量點(diǎn)的電壓和電流的乘積；然后，計算在一個(gè)整數正弦周期數內的平均功率。下表列出了在環(huán)境溫度下的測量數據和功率級達到穩態(tài)條件時(shí)的高溫測量結果，還給出了前面用公式估算的電路板耗散功率。
結果表明，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(shí)，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(gè)結果與 MOSFET導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稱(chēng)值。由于線(xiàn)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，符合預期。數據還顯示三個(gè)輸出的測量功率存在差異。這種現象是因為三相負載不均衡造成的，因為每個(gè)線(xiàn)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(guān)察到的差值低于測量和估算之間的差值。
溫度結果
在負載內產(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(gè)溫度標記。系統保持工作狀態(tài)，直到大約 25 分鐘后達到穩態(tài)條件為止。在測試結束時(shí)檢測到箱內環(huán)境溫度約為 28°C。圖 7 顯示了來(lái)自溫度標記的電路板升溫瞬變，圖 8 顯示了電路板上的最終溫度。測量結果表明，Q1 MOSFET 是整個(gè)電路板中最熱的元器件，溫度為 93.8°C，而 Q4 MOSFET 和 R23 電阻分別達到了 91.7°C 和 82.6°C。根據前文的Celsius? 模擬結果，Q1 MOSFET是 94.06°C ，Q4 MOSFET 是93.99°C，R23是85.58°C，與測量結果非常接近。直接比較圖 5 與圖 7不難發(fā)現，散熱瞬態(tài)時(shí)間常數也是高達一致。
總結
意法半導體最近發(fā)布了利用 Cadence?Celsius? Thermal Solver溫度模擬器開(kāi)發(fā)的EVALSTDRIVE101 評估板。該板電路板可以驅動(dòng)電池供電設備的高功率低電壓三相無(wú)刷電機。這塊板子包括一個(gè) 50 cm2 的緊湊的功率級，無(wú)需散熱器或增裝冷卻設備即可向電機提供超過(guò) 15 Arms 的電流。使用溫度模擬器內部的不同模擬功能，不僅可以預測電路板的溫度分布及功率級組件的熱點(diǎn)，還可以詳細描述電源跡線(xiàn)的電壓降和電流密度，而這很難或者根本不可能通過(guò)實(shí)驗測量獲得。在從設計初期到最終定案的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，模擬結果可以讓開(kāi)發(fā)者快速優(yōu)化電路板布局，調整元器件位置，改進(jìn)布局缺陷。紅外熱像儀熱表征測試表明，穩態(tài)溫度以及瞬態(tài)溫度曲線(xiàn)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計人員降低設計裕度，加快產(chǎn)品上市。
（來(lái)源：意法半導體，作者： P. Lombardi, D. Cucchi, E. Poli Cadence: S. Djordjevic, M. Biehl, M. Roshandell）
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請電話(huà)或者郵箱editor@52solution.com聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
推薦閱讀：
如何確保關(guān)鍵基礎設施精確授時(shí)與同步的彈性、冗余和安全性
