A szénkefe nélküli egyenáramú motorokhoz való motorvezérlő egységek hűtésének optimalizálása komoly kihívást jelentő környezetben

A szénkefe nélküli egyenáramú (BDLC, brushless direct current) motorokat egyre gyakrabban használják nagy hőigénybevételt jelentő körülmények között gépjárműipari környezetben, például villanyjárművekben (EV, electric vehicle), valamint ipari felhasználási területeken, például a robotikában és gyártóberendezésekben. Ahhoz, hogy a szénkefe nélküli egyenáramú motorok vezérlése megbízható működjön, a tervezők számára kulcsfontosságú szempont a hatékony hőmérséklet-szabályozás. Ennek érdekében különös figyelmet kell fordítaniuk a teljesítmény-MOSFET-ek és kapuvezérlő IC-k kapcsolási frekvenciájára, hatásfokára, üzemi hőmérséklet-tartományára és méreteire, miközben gondoskodniuk kell arról, hogy ezek az eszközök megfeleljenek az AEC-Q101 és ahhoz hasonló minősítéseknek, a PPAP-eljárásnak (Production Part Approval Process, sorozatgyártott alkatrészek jóváhagyási eljárása) és adott esetben az IATF16949:2016 szabványnak (IATF: International Automotive Task Force, Nemzetközi Gépjárműipari Munkacsoport).

Ezenkívül a kapuvezérlőknek a mikrovezérlőkkel (MCU) való kapcsolat egyszerűsítése érdekében kompatibiliseknek kell lenniük a szabványos TTL- (transistor–transistor logic, tranzisztor–tranzisztor logika) és CMOS-feszültségszintekkel. Képeseknek kell lenniük arra is, hogy megvédjék a MOSFET-eket különféle hibaállapotoktól, és a hatékony nagyfrekvenciás működés támogatása érdekében jól illesztett terjedési késleltetésűeknek kell lenniük.

Hogy kielégítsék ezeket az igényeket, a tervezők a kis méretű, jó hatásfokú megoldások előállítása érdekében nagyfrekvenciás kapuvezérlő IC-kkel párosíthatják a kétkapus n-csatornás, növekményes üzemmódú MOSFET-eket.

Ez a cikk a szénkefe nélküli egyenáramú motorok vezérlésének tervezésekor figyelembe veendő hőmérséklet-szabályozási szempontok áttekintésével kezdődik, majd röviden összefoglalja az AEC-Q101, a PPAP és az IATF 16949:2016 követelményeit. Ezután példákat mutat a Diodes, Inc. kétkapus n-csatornás, növekményes üzemmódú teljesítmény-MOSFET-jeire és a hozzájuk illeszkedő kapuvezérlő IC-kre, amelyek alkalmasak ipari és gépjárműipari szénkefe nélküli egyenáramú motorok motorvezérlő rendszereiben való felhasználásra. A cikket a szénkefe nélküli egyenáramú motorok motorvezérlő áramköreinek nyomtatott áramköri lapon való elrendezésével kapcsolatos szempontok tárgyalása zárja, beleértve az elektromágneses zavarás minimálisra csökkentésével és a hűtési teljesítmény optimalizálásável kapcsolatos szempontokat is.

A szénkefe nélküli egyenáramú motorok és a kommutálás

A legfontosabb különbség a szénkefe nélküli egyenáramú motorok és a szénkefés motorok között az, hogy a szénkefe nélküli egyenáramú motorok esetében a kommutálás megvalósításához mikrovezérlős vezérlés szükséges. Ehhez a forgórész elfordulási helyzetének érzékelésére van szükség. A helyzetérzékelés áramérzékelő ellenállások vagy Hall-érzékelők segítségével valósítható meg. A Hall-érzékelőknek a motor belsejében – 120°-onként – történő elhelyezése a helyzetérzékelés általános, pontos és hatékony módja.

A megoldásnak része egy hat teljesítmény-MOSFET-ből álló hídkapcsolás is, amely a háromfázisú szénkefe nélküli egyenáramú motorok vezérlésére szolgál. A Hall-érzékelők digitális jeleket állítanak elő, amelyeket a mikrovezérlő a motor forgórészhelyzetének meghatározására használ, majd a motor működésének vezérléséhez előállítja a MOSFET-ek szükséges sorrendben és kívánt sebességgel történő kapcsolásához szükséges vezérlőjeleket (1. ábra). A szénkefe nélküli egyenáramú motorok használatának egyik legfontosabb előnye a vezérelhetőség.

1. ábra: A háromfázisú szénkefe nélküli egyenáramú motorokban három Hall-érzékelő szolgáltatja a hat teljesítmény-MOSFET kapcsolásának vezérléséhez szükséges forgórészhelyzet-adatokat (ábra: Diodes, Inc.)

A terjedési késleltetés kezelése

A mikrovezérlő által előállított vezérlőjelek túl gyengék a teljesítmény-MOSFET-ek közvetlen vezérléséhez, ezért a mikrovezérlő jeleinek erősítésére egy kapuvezérlő IC-t használnak. A kapuvezérlő IC beiktatása azonban némi késleltetést okoz a vezérlőjelek terjedésében. Ezenkívül a félhidas kapuvezérlő két csatornájának kissé eltérő a válaszideje, ami a terjedési késleltetések eltolódását eredményezi. A legrosszabb esetben a magasoldali kapcsoló kinyithat, mielőtt az alacsonyoldali kapcsoló teljesen lezárna, ami azt eredményezi, hogy mindkét kapcsoló egyszerre van nyitva (vezet) – ezt átvezetésnek nevezik. Ha ez bekövetkezik, rövidzárlat keletkezik, és megsérülhet vagy tönkremehet a motorvezérlés vagy maga a motor.

A terjedési késleltetéssel kapcsolatos problémák megoldására többféle módszer létezik. Az egyik a gyors mikrovezérlő használata, amely elég gyorsan reagál ahhoz, hogy kiküszöbölje a terjedési késleltetést. Ezzel a módszerrel két lehetséges probléma van: egyrészt drágább mikrovezérlőt igényel, másrészt a mikrovezérlő egy holtidősávot vezet be a kapcsolási folyamatba annak biztosítása érdekében, hogy a két MOSFET-kapcsoló soha ne legyen egyszerre nyitva. Ez a holtidő a teljes kapcsolási folyamatot késlelteti.

A legtöbb készülékben előnyben részesített megoldás a kis terjedési késleltetésű kapuvezérlő használata. A nagy teljesítményű kapuvezérlő IC-k a rendszer megbízhatóságának további növelése érdekében tartalmaznak az átvezetést megakadályozó logikát is (2. ábra).

2. ábra: A nagy teljesítményű kapuvezérlő IC-k a nagyon kis terjedési késleltetés mellett tartalmaznak az átvezetést megakadályozó logikát is (balra középen) (ábra: Diodes, Inc.)

Mindig hűvösen tartva

A teljesítmény-MOSFET-ek biztonságos és pontos vezérlése létfontosságú a szénkefe nélküli egyenáramú motorok megbízható működéséhez, csakúgy, mint a teljesítmény-MOSFET-ek hűtése. A teljesítmény-félvezetők hűtésével kapcsolatos két fontos jellemző a pn-átmenet és a burkolat közötti hőellenállás (R_θJC), valamint a pn-átmenet és a környezet közötti hőellenállás (R_θJA). Mindkettőnek °C/W (Celsius-fok/watt) a mértékegysége. Az R_θJC hőellenállás eszköz- és tokozásfüggő. Ez állandó érték, amely olyan tényezőktől függ, mint a félvezetőszelet mérete, a félvezetőszelet rögzítéséhez használt anyag, valamint a tokozás hőtechnikai jellemzői.

Az R_θJA egy tágabb fogalom: magában foglalja az R_θJC-t, valamint a forrasztás és a hűtőborda hőmérsékleti együtthatóját is. Teljesítmény-MOSFET-ek esetében az R_θJA akár 10-szer akkora is lehet, mint az R_θJC. A MOSFET-tokozás (ház) hőmérsékletének (T_C) kézben tartása kulcsfontosságú szempont (3. ábra). Ez azt jelenti, hogy a teljesítmény-MOSFET-ek hűtésének kialakítása során nagyon fontosak az olyan tényezők, mint a nyomtatott áramköri lap kialakítása és elrendezése, valamint a hűtőbordák. A MOSFET-ben keletkező hő szinte teljes egészében a nyomtatott áramköri lap rézfelületén és a hűtőbordán keresztül távozik.

3. ábra: Az R_θJA a hőleadás egyik legfontosabb mérőszáma, és akár 10-szer akkora is lehet, mint az R_θJC (ábra: Diodes, Inc.)

Gépjárműipari szabványok

A gépjárműipari területeken való felhasználáshoz az eszközöknek egy vagy több ágazati szabványnak is meg kell felelniük, beleértve többek közt az AEC-Q100, az AEC-Q101, a PPAP és az IATF 16949:2016 szabványt. Az AEC-Q100 és az AEC-Q101 a gépjárműipari területeken használt félvezető eszközök megbízhatósági szabványa. A PAPP egy dokumentációs és nyomonkövetési szabvány, az IATF 16949:2016 pedig egy ISO 9001-alapú minőségbiztosítási szabvány. Pontosabban:

Az AEC-Q100 egy hibamechanizmus-alapú tűrőképességi teszt tokozott IC-k számára, és négy környezeti üzemi hőmérséklet-tartományt, azaz fokozatot tartalmaz:

• 0. fokozat: –40 °C és +150 °C között
• 1. fokozat: –40 °C és +125 °C között
• 2. fokozat: –40 °C és +105 °C között
• 3. fokozat: –40 °C és +85 °C között

Az AEC-Q101 a tűrőképességi tesztek minimális követelményeit és feltételeit szabja meg az olyan diszkrét eszközökre vonatkozóan, mint a teljesítmény-MOSFET-ek, és –40 °C és +125 °C közötti működést ír elő.

A PPAP egy 18 lépésből álló jóváhagyási folyamat az új vagy módosított alkatrészek esetében. Úgy van kialakítva, hogy biztosítsa, hogy az alkatrészek következetesen megfeleljenek a meghatározott követelményeknek. A PPAP-nak öt szabványos bemutatási szintje van, és a követelményeket a beszállító és a megrendelő egyezteti.

Az IATF 16949:2016 egy gépjárműipari minőségbiztosítási rendszer, amely az ISO 9001 szabványon és a gépjárműipari ágazat ügyfélspecifikus követelményein alapul. Ez a szabvány harmadik fél által végzett tanúsítást igényel.

Kétkapus teljesítmény-MOSFET-ek

A szénkefe nélküli egyenáramú motorok jó hatásfokú vezérlésének megvalósításához a tervezők használhatnak olyan kétkapus n-csatornás növekményes üzemmódú MOSFET-eket, mint a Diodes Inc. ipari felhasználási területekre szánt DMTH6010LPD-13 MOSFET-je, illetve az AEC-Q101 minősítésű, gépjárműipari felhasználási területekre szánt DMTH6010LPDQ-13 MOSFET-je. Mindkét alkatrész PPAP-támogatottságú, és IATF 16949-tanúsítvánnyal rendelkező létesítményekben készül. Ezeknek a MOSFET-eknek kicsi, 2615 pF a bemeneti kapacitásuk (C_iss) a nagy kapcsolási sebességek lehetővé tétele érdekében, és kicsi, 11 mΩ a nyitóirányú ellenállásuk (R_DS(on)) a jó átalakítási hatásfok elérése végett, így alkalmasak nagy frekvenciájú, jó hatásfokú készülékekbe. Az eszközöknek 10 V a kapuvezérlő feszültségük, +175 °C-ig használhatók, és 5 mm × 6 mm-es PowerDI5060-8 tokozásban kaphatóak, nagy nyelőfelülettel (drain pad) a nagy hőleadás érdekében (4. ábra). Hőtechnikai jellemzők:

• 53 °C/W állandó R_θJA hőellenállás, ha az eszközt 2 unciás (56,7 g) rézrétegű FR-4 nyomtatott áramköri lapra szerelik, amely hőelvezető furatokkal van ellátva az alsó rétegén lévő 1 hüvelyk × 1 hüvelyk (25,4 mm × 25,4 mm) méretű, négyzet alakú rézfelülethez
• R_θJC = 4 °C/W
• +175°C-ig használható

4. ábra: A DMTH6010LPD-13 és a DMTH6010LPDQ-13 a PowerDI5060-8 tokozás nagyméretű nyelőfelületét használja a nagy hőleadás elősegítésére (ábra: Diodes, Inc.)

Kétkapus MOSFET-es kapuvezérlő

A kétkapus teljesítmény-MOSFET-ek vezérléséhez a tervezők kétféle félhidas kapuvezérlőt is használhatnak: a DGD05473FN-7 jelűt ipari felhasználási területeken, vagy az AEC-Q100 minősítésű, DGD05473FNQ-7 jelűt gépjárműipari rendszerekhez. Ezek a kapuvezérlők is PPAP-támogatottságúak, és ezeket is IATF 16949 tanúsítvánnyal rendelkező létesítményekben gyártják. A bemenetek a mikrovezérlőkkel való kapcsolat egyszerűsítése érdekében kompatibilisek a TTL- és CMOS-jelszintekkel (le egészen 3,3 V-ig), és a lebegő magasoldali vezérlő 50 V-ra van méretezve. A védelmi funkciók közé tartozik a feszültségesés miatti letiltás (UVLO, undervoltage lockout) és az átvezetést megakadályozó logika (lásd ismét a 2. ábrát). A beépített feszültség-utánhúzó dióda segít minimálisra csökkenteni a nyomtatott áramköri lapon elfoglalt helyet. Egyéb jellemzők:

• 20 ns terjedési késleltetés
• 5 ns legnagyobb késleltetési illesztés
• legnagyobb vezérlőáram: 1,5 A forrásáram és 2,5 A befolyó áram
• 1 µA alatti készenléti áram
• AEC-Q100 1. osztályú minősítés, üzemi hőmérséklet-tartomány: –40 °C – +125 °C

A hűtéssel és az elektromágneses zavarással kapcsolatos szempontok

A fentiekben részletezett MOSFET-eket és vezérlő IC-ket használó áramköröknél bevált áramkörilap-elrendezési módszereknek a lehető legjobb hűtés érdekében a kis méretet a MOSFET-ekhez a gyakorlatban elérhető lehető legnagyobb rézfelületekkel kell kombinálniuk. A kis méret minimálisra csökkenti a hurokterületeket, a kis vezetékhossz pedig az elektromágneses zavarást (EMI, electromagnetic interference), és csökkenti az elektromágneses összeférhetőséggel (EMC, electromagnetic compatibility) kapcsolatos aggályokat.

Az elektromágneses összeférhetőség és a hűtési teljesítmény további javítása érdekében érdemes elhelyezni a nyomtatott áramköri lap alján egy egybefüggő belső testfelületet és egy további tápfeszültség-felületet. Ezek mellett a jelvezetékekhez egy külön belső réteget kell használni.

A MOSFET tokozásának jelentős hatása van a hűtési teljesítményre. Három lehetőséget, a PowerDI5060-8, a 3 mm × 3 mm-es PowerDI3333-8 és a 2 mm × 2 mm-es DFN2020-6 tokozást megvizsgálva megállapítható, hogy a legnagyobb nyelőfelületű PowerDI5060 teszi lehetővé a legnagyobb, 2,12 W-ot elérő hűtési teljesítményt (5. ábra).

5. ábra: A PowerDI5060 (kék vonal) hűtési teljesítménye nagyobb a két kisebb fizikai méretű tokozásénál (ábra: Diodes, Inc.)

Összegzés

A hűtési szempontból jó hatásfokú tokozásban elhelyezett kétkapus teljesítmény-MOSFET-ek kombinálhatók a hozzájuk illeszkedő kapuvezérlő IC-kkel, így nagy teljesítményű és kis méretű motorvezérlő egységek készíthetők a gépjárműipari és ipari felhasználási területeken használt szénkefe nélküli egyenáramú motorok vezérlésére. Ezek a megoldások megfelelnek az AEC, PPAP és IATF megbízhatósági, dokumentációs és minőségbiztosítási szabványoknak. Az eszközök a bevált áramkörilap-elrendezési módszereket felhasználva a tervezők segítségére lehetnek, hogy a legjobb hűtési teljesítményt és elektromágneses összeférhetőséget érjék el a szénkefe nélküli egyenáramú motorok vezérlésének megvalósítása során.

Ajánlott olvasnivaló

1. Use Sensorless Vector Control with BLDC and PMS Motors to Deliver Precise Motion Control (Érzékelő nélküli vektoros vezérlés használata szénkefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorokhoz és állandó mágneses szinkronmotorokhoz (PMS) a mozgás pontos szabályozása érdekében)
2. What Kinds of Encoder Features Boost Ruggedness? Solid-State Electronics, Maybe? (A kódolók milyen jellemzői növelik a tűrőképességet? Talán a félvezetős elektronika?)
3. How to Choose and Use Angle Sensors for Power Steering, Motors and Robotics (Szöghelyzet-érzékelők választása és használata a szervokormányzás, a villanymotorok és a robotika területén)