Tervezett hőeloszlású, nagy teljesítményű inverterkártya akkumulátoros áramellátású rendszerekhez

Napjainkban az akkumulátoros áramellátású, villanymotoros hajtású megoldások általában több száz wattos teljesítményt adnak le nagyon alacsony üzemi feszültséget használva. Az ilyen felhasználásokban a rendszer általános hatásfokának és megbízhatóságának biztosítása érdekében szükségesnek tartják a villanymotor vezérlőelektronikáján átfolyó áram helyes kezelését. A motor áramerőssége meghaladhatja a több tíz amperes értéket, ami az inverteren belül megnövekedett veszteségi teljesítményhez vezet. Ha nagyobb teljesítménynek tesszük ki az inverter alkatrészeit, az magasabb hőmérsékletet, teljesítménycsökkenést, sőt a megengedett legnagyobb értékeket túllépve hirtelen letöréseket is eredményezhet. A hőleadási teljesítmény optimalizálása a kis mérettel kombinálva az inverter tervezési fázisának egyik kulcsfontosságú szempontja, amely buktatókat rejthet, ha nem foglalkoznak vele megfelelően. Ennek a problémának az egyik megközelítési módja a prototípusok előállítása volt, amelyeket aztán helyszíni ellenőrzésekkel sorra finomítottak. A villamossági és a hőtani szempontok értékelését azonban teljesen szétválasztották, és a tervezés során soha nem foglalkoztak a villamos és a hőtani jelenségek egymásra hatásával. Ez általában a műveletek többszöri ismétlését követelte meg, és hosszú ideig tartott a piacra kerülés. Jelenleg a modern szimulációs technikákat felhasználva egy hatékonyabb alternatív módszer is rendelkezésre áll a villanymotor-vezérlő rendszerek elektrotermikus teljesítményének, azaz a villamos és hőtani jelenségek egymásra hatásának optimalizálására. A Cadence® Celsius™ Thermal Solver, az iparág rendszerelemzésre szolgáló, a villamos és a hőtani jelenségeket közösen szimuláló vezető szoftvere néhány perc alatt átfogó és pontos értékelést nyújt a tervezési teljesítményről mind villamos, mind hőtechnikai szempontból. Az STMicroelectronics, az ipari villanymotorok vezérlésére szolgáló integrált áramkörök egyik vezető gyártója a Celsius™ segítségével finomhangolta EVALSTDRIVE101 fejlesztőkártyáját. Az eredmény egy olyan szénkefe nélküli háromfázisú motorokhoz való inverter lett, amely akár 15 A_rms áramot is képes vezérelni, és referenciaként szolgálhat a célkészülékek tervezői számára. Ebben a cikkben megragadjuk az alkalmat arra, hogy ismertessük azt a munkafolyamatot, amely lehetővé tette az STMicroelectronics számára az EVALSTDRIVE101 bevonását a termelésbe, használatával csökkentve a hűtés optimalizáláshoz szükséges erőfeszítéseket.

Az EVALSTDRIVE101

Az EVALSTDRIVE101 fejlesztőkártya alapja az STDRIVE101, egy 75 V-os három félhidas kapumeghajtó, amely 4 mm × 4 mm-es négyoldalas, lapos, lábak nélküli (QFN, quad flat no-lead) tokban kapható, így tökéletesen illeszkedik az akkumulátoros megoldásokhoz, és hat STL110N10F7 teljesítmény-MOSFET-et tartalmaz három félhídba rendezve. A Celsius™ drámai mértékben leegyszerűsítette az EVALSTDRIVE101 optimalizálásának folyamatát, és rövid idő alatt kis méretű és megbízható terméket lehetett létrehozni a segítségével. A szimuláció eredményeit – amint azt később tárgyaljuk – az alkatrészek elhelyezésének több egymást követő módosítására, a nyomtatott áramköri lapon kialakított réz testfelületek és a vezetőcsíkok alakjának finomítására, a rétegvastagság módosítására, valamint hőelvezető furatok hozzáadására vagy megszüntetésére használtuk fel, hogy az inverter gyártásra kész változatát megkapjuk. Az optimalizált elrendezésű EVALSTDRIVE101 négyrétegű, 2 unciás (56,7 g) rézrétegvastagságú nyomtatott áramköri lapot használ. A kártya 11,4 cm széles és 9 cm hosszú, és 36 V-os akkumulátorfeszültséget használva akár 15 A_rms áramot is képes a terhelésre adni. Hőtechnikai szempontból az EVALSTDRIVE101 legkritikusabb része a teljesítményfokozat területe, amely elsősorban teljesítmény-MOSFET-eket, söntellenállásokat, megkerülő kerámiakondenzátorokat, elektrolit pufferkondenzátorokat és csatlakozókat tartalmaz. Ennek a résznek az elrendezését olyan mértékben összezsugorítottuk, hogy a teljes kártyaméretnek csak a felét, azaz 50 cm²-t fedjen le. Ennek során különös figyelmet fordítottunk a MOSFET-ek elhelyezésére és vezetőcsíkjaik vonalvezetésére, mert ezek az alkatrészek a felelősek az inverter működése során a legtöbb teljesítményveszteségért. A felső rétegben az összes MOSFET nyelőcsatlakozójának rézfelületét maximalizáltuk, majd lemásoltuk és ahol lehetett, megnöveltük a többi rétegben, hogy javítsuk a hőátadást a kártya alsó felületének irányába. Ily módon a kártya felső és alsó felülete is hatékonyan hozzájárul a természetes hőátadás és hősugárzás révén történő hőelvezetéshez. A különböző rétegek közötti villamos és hőtechnikai kapcsolatot 0,5 mm átmérőjű hőelvezető furatok biztosítják, amelyek megkönnyítik a levegő áramlását, és javítják a hűtést. Közvetlenül a MOSFET-ek alsó fémfelülete alatt egy hőelvezető furatok alkotta rács található, de itt a furatok átmérőjét 0,3 mm-re csökkentettük, hogy megakadályozzuk a forraszgyanta befolyását a furatokba.

Az energiaveszteségek becslése

ábra: A felső réteg szimulált áramsűrűsége (kép: STMicroelectronics)

2. ábra: A felső réteg állandósult állapotbeli szimulált hőmérsékleteinek hőtérképe (kép: STMicroelectronics)

Az EVALSTDRIVE101 hűtési szempontból történő optimalizálása az inverter működése során hővé alakuló veszteségi teljesítmény becslésével kezdődött, ez lett a hőszimuláció egyik bemenőjele. Az inverter veszteségei két részre oszthatóak: a Joule-hatásból eredő, azaz a kártyán lévő vezetőcsíkok miatti, illetve az elektronikai alkatrészek miatti veszteségekre. Miközben a Celsius™ az áramsűrűségeket és a kártya miatti veszteségeket közvetlenül az elrendezési adatok importálásával pontosan meg tudja határozni, az elektronikai alkatrészek miatti veszteségeket ki kell számítani. Bár egy áramkör-szimulátor nagyon pontos eredményeket tudna szolgáltatni, úgy döntöttünk, hogy egyszerűsített képleteket használunk, és így észszerű becslést kapunk a veszteségi teljesítményekről, bár csak közelítésekkel. Előfordulhat ugyanis, hogy a gyártó nem bocsátja rendelkezésre az alkatrészek villamos modelljeit, és a modellezési adatok hiánya miatt a szimulációt nehéz vagy nem is lehet végrehajtani nulláról kiindulva, míg a megadott képletekhez elegendőek az adatlapokról származó alapadatok. A másodlagos jelenségeket figyelmen kívül hagyva az inverter veszteségi teljesítményét főként a söntellenállásokon keletkező P_sh veszteségi teljesítmény és a MOSFET-ekben keletkező veszteségek alkotják. Ez utóbbiak a vezetési (P_cond) és a kapcsolási (P_sw) veszteségekből és a diódán keletkező (P_dt) teljesítményesésből tevődnek össze:

A becsült veszteségi teljesítmény 1,303 W volt minden egyes MOSFET és 0,281 W minden egyes söntellenállás esetén.

Hőtechnikai szimulációk

A Celsius™ lehetővé teszi a tervezők számára, hogy a rendszer villamossági elemzését is magukban foglaló szimulációkat végezzenek, bemutatva az áramsűrűséget a vezetőcsíkokon és a hőelvezető furatok környékén, valamint a feszültségeséseket. Ezek a szimulációk megkövetelik, hogy a tervezők a rendszer áramköri modelljének segítségével határozzák meg az érdeklődésre számot tartó áramhurkokat. A 3. ábrán az EVALSTDRIVE101 félhídjainak modellje látható. A félhíd két állandó áramú áramgenerátorból áll, amelyek a kimenet és a tápegység csatlakozója között vannak elhelyezve, valamint három áthidalásból (rövidzárból), amelyek a MOSFET-eket és a söntellenállást kerülik meg A két áramhurok jól megfelel a valós átlagos áramerősségeknek a tápsín teljes hosszában és a réz testelőfelület teljes területén, míg a kimeneti útvonal áramerőssége kissé túl van méretezve, ami kényelmes üzemi állapotot jelent a terv robusztusságának értékeléséhez. A 4. ábra és az 1. ábra az EVALSTDRIVE101 feszültségesését és áramsűrűségét mutatja 15 A_rms áramerősség esetén. A földponthoz mint referenciaértékhez viszonyított feszültségesések egy különösen jól optimalizált elrendezést mutatnak, amely nem tartalmaz szűk keresztmetszeteket, és a kártya jól kiegyensúlyozott, 28 mV, 25 mV és 23 mV feszültségű kimenetekkel rendelkezik az U, V és W ponton (ebben a sorrendben). A három közül az U kimeneten mérhető a legnagyobb feszültségesés, míg a W kimeneten a legkisebb, mert ez utóbbi van a legközelebb a tápcsatlakozóhoz. Az áramerősségek jól vannak elosztva a különböző útvonalakon, és átlagos áramsűrűség az áramellátó vezetőcsík méretezéséhez ajánlott 15 A/mm² alatt van. A MOSFET-ek, a söntellenállások és a csatlakozók közelében van néhány piros színnel kiemelt terület. Ezek a nagyobb áramsűrűséget jelzik, ugyanis az alkatrészek csatlakozói kisebbek, mint az alattuk elhelyezkedő áramellátó vezetőcsíkok. A legnagyobb áramsűrűség azonban jóval a megengedett 50 A/mm² határérték alatt van, amelynek túllépése a valóságban megbízhatósági problémákhoz vezetne.

3. ábra: Az áramhurkok modellezése (kép: STMicroelectronics)

A szimulátor lehetővé teszi a tervezők számára, hogy az állandósult állapotot, illetve az átmeneti állapotokat (tranzienseket) bemutató szimulációkat állítsanak be és futtassanak. Az előbbi a rétegek és az alkatrészek állapotát mutató egyetlen kétdimenziós (2D) hőtérképet ad, míg az utóbbi mindegyik szimulált időpillanatra és felmelegedési görbére vonatkozóan külön hőtérképet alkot azon az áron, hogy hosszabb lesz a szimulációs idő. Az állandósult állapot szimulációjához szükséges beállítások használhatók a tranziensek szimulációjához is, de ez utóbbihoz meg kell adni ezenkívül még az alkatrészek veszteségi teljesítményre vonatkozó függvényeit is. A tranziensek szimulációja használható a rendszer különböző olyan üzemállapotainak meghatározására is, amikor nem minden áramforrás működik egyidejűleg, valamint az állandósult hőmérséklet eléréséhez szükséges idő értékelésére.

4. ábra: A belső réteg szimulált feszültségesései (kép: STMicroelectronics)

Az eszközök EVALSTDRIVE101-szimulációit 28 °C-os környezeti hőmérsékletet beállítva végeztük a hőátadási együtthatóval mint peremfeltétellel és a két ellenállás hőtani modelljével. Azért ezeket a modelleket használtuk a részletes hőtani modellek helyett (amilyen például a Delphi-féle), mert ezek közvetlenül elérhetők az alkatrészek adatlapján, bár némileg csökkentik a szimuláció pontosságát. Az EVALSTDRIVE101 állandósult állapotra vonatkozó eredményeit a 4. ábra, a tranziensek szimulációjának eredményeit pedig az 5. ábra mutatja. A tranziensek szimulációja során lépcsős hatványfüggvényeket használtunk az összes MOSEFT és söntellenállás nulla időpontban történő engedélyezéséhez. A szimulációk alapján az U félhíd területe a legmelegebb rész a kártyán. A Q1 MOSFET (magas oldal) hőmérséklete 94,06 °C volt, amelyet a Q4 MOSFET (alacsony oldal), majd az R24 és R23 söntellenállás követett (ebben a sorrendben) 93,99 °C, 85,34 °C és 85,58 °C hőmérséklettel.

5. ábra: Az U félhidat alkotó alkatrészek szimulált felmelegedésének grafikonja (kép: STMicroelectronics)

A hőtechnikai jellemzők beállítása

Az EVALSTDRIVE101 hőleadási teljesítményét mutató jellemzők tapasztalati úton történő megállapítására a gyártás után került sor. Fékpadra szerelt villanymotor helyett a könnyebb megvalósíthatóság érdekében egy azzal egyenértékű próbapadot használtunk, amely a 6. ábrán látható. A szükséges vezérlőjelek előállításához az EVALSTDRIVE101 fejlesztőkártyát egy vezérlőkártyához csatlakoztattuk, és egy plexidobozban helyeztük el, hogy a rendszer hűtése hőátadás útján, nem szándékosan előidézett légáramlás nélkül történjen. A doboz fölött egy hőkamerát (a Nippon Avionics TVS-200 típusú eszközét) helyeztünk el, amely a doboz fedelén lévő furaton keresztül figyelte a kártyát. A kártya kimeneteire egy háromfázisú terhelést kapcsoltunk, és a rendszer 36 V tápfeszültséget kapott. A terhelést három tekercs alkotta, amelyek csillagkapcsolásba voltak kötve, hogy a villanymotort utánozzák. Mindegyik tekercsnek 30 A telítési árama, 300 µH induktivitása és mindössze 25 mΩ parazita-ellenállása volt. A kis parazita-ellenállás a kártya és a terhelés közti veszteségmentes energiaátvitel érdekében jelentősen csökkentette a tekercsek belsejében a Joule-hő okozta fűtőhatást. A tekercsekben – a vezérlőkártyán keresztül megfelelő szinuszos feszültségeket rájuk adva – három szinuszos áramot generáltunk 15 A_rms áramerősséggel. Ezzel a módszerrel a teljesítményfokozat a végleges villanymotor-vezérlő megoldáshoz nagyon közeli üzemállapotban működött, de megvolt az az előnye, hogy nem volt szükség szabályozóhurokra.

6. ábra: A hőtechnikai jellemzők beállítása (kép: STMicroelectronics)

A teljesítményveszteség mérése

A szimuláció eredményének minőségét befolyásoló egyik tényező nyilvánvalóan a teljesítményfokozat egyes eszközein keletkező veszteségi teljesítmény adatainak pontossága. Mivel ezeket az adatokat mind a MOSFET-ek, mind a söntellenállások esetében egyszerűsített képletekkel kaptuk, ezért csak közelítő értékekről beszélhetünk. Emiatt a veszteségi teljesítmény számított hibájának meghatározásához méréseket végeztünk magán a kártyán. A kártya P_loss teljesítményveszteségét a P_in bemeneti teljesítmény és a három kimenetre (P^U_out, P^V_out és P^W_out) kapcsolt terhelésre leadott teljesítmény közötti különbségként mértük. A mérést egy (Teledyne LeCroy HDO6104-MS típusú) oszcilloszkóp segítségével végeztük, és a hullámformákra a megfelelő matematikai függvényeket alkalmaztuk: először a feszültség és az áram szorzatát számoltuk ki pontról pontra, majd a teljesítményt egész számú szinuszos ciklusszámra nézve átlagoltuk. A következő táblázat a mérési eredményeket mutatja a környezeti hőmérsékleten (Tamb) és bemelegedett állapotban (Thot), amikor a teljesítményfokozat már elérte az állandósult állapotot. Végül megadjuk a kártyára korábban képletekkel megbecsült teljes veszteségi teljesítmény értékét is.

A mérések és a becslések eredményei nagyon jó egyezést mutatnak, ami azt jelzi, hogy jók a bevezetett közelítő értékek. A képletek a szobahőmérsékleten mért értéket 1,5%-kal túlbecsülik, míg a bemelegedett állapot adatai esetében nagyjából 3,9%-os alulbecslést eredményeznek. Ez az eredmény megfelel a MOSFET-ek vezetési ellenállása és a söntellenállás-értékek gyártási pontosságának, mivel a számítások során névleges értékeket használtunk. A várakozásoknak megfelelően az összes teljesítményérték magasabb volt bemelegedett állapotban, mint szobahőmérsékleten, ami a tekercsek és a MOSFET-ek a hőmérséklet növekedésével megnövekedett ellenállásának köszönhető. Az adatok a három kimenet mért teljesítményei között is különbséget mutatnak. Ez a háromfázisú terhelés kiegyensúlyozatlanságából adódik, mivel az induktivitás (L) és az ellenállás (R) értékei tekercsenként kissé eltérőek. Ez a hatás azonban jelentéktelen szerepet játszik, mert a megfigyelt eltérés kisebb, mint a mérések és a becslés közötti különbség.

Hőmérsékletmérési eredmények

A szinuszos áramok generálása a terhelésen és a hőkamerával történő hőtérképkészítés egyszerre működött. A hőkamera korábban úgy lett beállítva, hogy 15 másodpercenként gyűjtsön hőtérképeket, és minden felvétel három hőmérséklet-jelölő jelet tartalmazzon a Q1, a Q4 és az R23 alkatrészről. A rendszer mindaddig működött, amíg – körülbelül 25 perc elteltével – el nem érte az állandósult állapotot. A vizsgálat végén a dobozban mért környezeti hőmérséklet nagyjából 28 °C volt. A 7. ábrán a kártya felmelegedési grafikonja látható, amely a hőmérséklet-jelölő jelek alapján lett megrajzolva, a 8. ábra pedig a kártya végső hőtérképét mutatja. A mérés azt mutatta, hogy a Q1 MOSFET volt a legmelegebb alkatrész az egész kártyán a maga 93,8 °C-os hőmérsékletével, míg a Q4 MOSFET 91,7 °C-ot, az R23 ellenállás pedig 82,6 °C-ot ért el. Amint azt korábban tárgyaltuk, a Celsius™ a Q1 MOSFET hőmérsékletét 94,06 °C-ra, a Q4 MOSFET hőmérsékletét 93,99 °C-ra, az R23 söntellenállás hőmérsékletét pedig 85,58 °C-ra szimulálta, ami nagyon jó egyezést mutat a mérésekkel. Ugyanilyen jó egyezést mutat a felmelegedési átmenet időállandója is, amint az az 5. ábra és a 7. ábra közvetlen összehasonlításából könnyen megállapítható.

7. ábra: Az U félhidat alkotó alkatrészek mért felmelegedésének grafikonja (kép: STMicroelectronics)

8. ábra: A felső réteg mért állandósult állapotbeli hőmérsékleteinek hőtérképe (kép: STMicroelectronics)

Összegzés

Az STMicroelectronics nemrégiben jelentette meg az EVALSTDRIVE101 fejlesztőkártyát, amelyet a Cadence® Celsius™ Thermal Solver szimulációs szoftver előnyeit kihasználva terveztek. A kártya a nagy teljesítményű, kisfeszültségű háromfázisú szénkefe nélküli villanymotorok vezérlését célozza meg az akkumulátoros áramellátású rendszerek igényeit figyelembe véve. Tartalmaz egy kis méretű, 50 cm²-es teljesítményfokozatot, amely hűtőborda és egyéb további hűtés nélkül több mint 15 A_rms áramot képes biztosítani a motornak. A hőszimulátorba beágyazott különböző szimulációs funkciók segítségével nemcsak a kártya hőmérsékleti profilját és a teljesítményfokozatát alkotó alkatrészek legmelegebb pontjait lehet előre látni, de részletes leírást kapunk az áramellátó vezetőcsíkok áramsűrűségéről és a vezetőcsíkok mentén létrejövő feszültségesésekről is, amelyeket kísérleti mérésekkel csak nehezen vagy egyáltalán nem lehet megmérni. A szimulációk eredményei lehetővé teszik a kártyaelrendezés gyors optimalizálását, az elhelyezés kiigazítását és az elrendezésbeli hibák javítását a tervezés korai szakaszától a jóváhagyásig. A hőmérsékleti jellemzők infravörös kamerával végzett ellenőrzése jó egyezést mutat az állandósult hőmérsékletek, valamint az átmeneti hőmérsékleti profil szimulált és mért értékei között, ami bizonyítja a kártya kiemelkedő képességeit, valamint azt, hogy a hőszimulátor hatékony segítséget nyújt a tervezőknek a tervezési ráhagyások csökkentésében és a gyors piacra kerülés elérésében.