Thermisch bewuste hoogvermogen omvormerkaart voor batterijgevoede toepassingen

Tegenwoordig leveren door batterijen aangedreven motoroplossingen gewoonlijk honderden watts vermogen bij zeer lage bedrijfsspanningen. In dergelijke toepassingen wordt een correct beheer van de stromen die door de motoraandrijfelektronica vloeien, noodzakelijk geacht om de algemene efficiëntie en betrouwbaarheid van het systeem te waarborgen. De motorstroom kan immers tientallen ampères overschrijden, waardoor de vermogensdissipatie in de omvormer toeneemt. Meer vermogen naar de componenten van de omvormer leidt tot hogere temperaturen, prestatievermindering en zelfs plotselinge breuken als de maximaal toegestane nominale waarden worden overschreden. De optimalisering van de thermische prestaties, in combinatie met een compacte vormfactor, is een belangrijk aspect van de ontwerpfase van de omvormer dat valkuilen kan verbergen als het niet goed wordt aangepakt. Een benadering van dit probleem is de productie van prototypes die achtereenvolgens zijn verfijnd met behulp van validatie in het veld. De elektrische en thermische evaluaties waren echter volledig gescheiden, en de elektrisch-thermische koppelingseffecten werden tijdens het ontwerp nooit in aanmerking genomen. Dit resulteerde meestal in verschillende iteraties en een lange tijd om het product op de markt te brengen. Er is thans een doeltreffender alternatieve methode beschikbaar om de elektro-thermische prestaties van motorregelsystemen te optimaliseren door gebruik te maken van moderne simulatietechnologieën. Cadence® Celsius™ Thermal Solver, de toonaangevende elektrisch-thermische co-simulatiesoftware voor systeemanalyse, biedt in slechts enkele minuten een globale en nauwkeurige beoordeling van de prestaties van het ontwerp vanuit zowel elektrisch als thermisch oogpunt. STMicroelectronics, een toonaangevende fabrikant van geïntegreerde schakelingen voor industriële motorbesturing, heeft zijn EVALSTDRIVE101-evaluatiekaart verfijnd met behulp van Celsius™. Het resultaat is een omvormer voor driefasige borstelloze motoren die tot 15 A_rms stroom kan aandrijven, waarnaar de uiteindelijke ontwerpers van toepassingen kunnen verwijzen. In dit artikel maken wij van de gelegenheid gebruik om de workflow te beschrijven die STMicroelectronics in staat stelde de EVALSTDRIVE101 in productie te nemen, waardoor de inspanningen voor thermische optimalisatie konden worden verminderd.

EVALSTDRIVE101

De EVALSTDRIVE101 is gebaseerd op de STDRIVE101, een 75 V drievoudige halfbrug gatedriver met beveiligingen in een quad flat no-lead (QFN) 4x4 mm pakket, dat perfect geschikt is voor batterij gevoede oplossingen en zes STL110N10F7 power MOSFET's gerangschikt in drie halfbruggen. Celsius™ heeft het optimalisatieproces van de EVALSTDRIVE101 drastisch vereenvoudigd door in een kort tijdsbestek een compact en betrouwbaar ontwerp te realiseren. De simulatieresultaten werden, zoals later besproken, gebruikt om op iteratieve wijze de plaatsing van componenten aan te passen, de vorm van vlakken en sporen te verfijnen, de laagdikte aan te passen, en vias toe te voegen of te verwijderen om de productie-klare versie van de omvormer te verkrijgen. De geoptimaliseerde lay-out van de EVALSTDRIVE101 bestaat uit vier lagen met 2 oz koper, een breedte van 11,4 cm en een hoogte van 9 cm, die tot 15 A_rms stroom aan de belasting kan leveren bij een accuspanning van 36 V. Vanuit thermisch oogpunt is het meest kritische deel van de EVALSTDRIVE101 het gebied van de vermogenstrap dat hoofdzakelijk vermogens-MOSFET's, shuntweerstanden, keramische bypass-condensatoren, elektrolytische bulkcondensatoren en connectoren omvat. De layout van dit onderdeel werd sterk ingekrompen om slechts de helft van de totale afmeting van de printplaat te beslaan, d.w.z. 50 cm². In dit verband werd bijzondere aandacht besteed aan de plaatsing en routing van MOSFET's, aangezien deze componenten verantwoordelijk zijn voor het grootste deel van de vermogensverliezen tijdens de werking van de omvormer. Het koperoppervlak van alle MOSFET drain terminals werd gemaximaliseerd op de bovenste laag en waar mogelijk gerepliceerd en vergroot voor andere lagen om de warmteoverdracht naar de onderkant van het bordoppervlak te verbeteren. Op deze manier dragen zowel het boven- als het ondervlak van de plaat effectief bij tot de warmteafvoer door natuurlijke convectie en straling. De elektrische en thermische verbinding tussen de verschillende lagen werd verzorgd door vias van 0,5 mm diameter die de luchtstroom vergemakkelijken en de koeling verbeteren. Een raster van vias ligt vlak onder de blootliggende pads van de MOSFET's, maar hun diameter werd gereduceerd tot 0,3 mm om overlopen van soldeerpasta in de gaten te voorkomen.

Raming van de vermogensverliezen

Afbeelding 1: Gesimuleerde stroomdichtheid van de toplaag. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Afbeelding 2: Gesimuleerde steady-state-temperaturen van de toplaag (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

De thermische optimalisatie van de EVALSTDRIVE101 begon met een schatting van het door de omvormer tijdens zijn werking gedissipeerde vermogen, één van de inputs van de thermische simulator. De verliezen van de omvormer kunnen worden opgesplitst in twee bijdragen: die welke te wijten zijn aan het Joule-effect binnen de printsporen en die welke te wijten zijn aan de elektronische componenten. Terwijl Celsius™ stroomdichtheden en printplaatverliezen rechtstreeks nauwkeurig kan bepalen door het importeren van layout-gegevens, moeten de verliezen als gevolg van elektronische componenten worden berekend. Hoewel een circuitsimulator zeer nauwkeurige resultaten zou kunnen opleveren, werd besloten vereenvoudigde formules te gebruiken om een redelijke schatting van de vermogensverliezen te verkrijgen, zij het met benaderingen. Elektrische modellen van componenten kunnen immers niet beschikbaar zijn bij de fabrikanten en moeilijk, of niet haalbaar, te implementeren zijn door gebrek aan modelgegevens, terwijl de verstrekte formules alleen basisinformatie uit datasheets vereisen. Als secundaire verschijnselen buiten beschouwing worden gelaten, wordt de vermogensdissipatie van de omvormer gedomineerd door verliezen in de shuntweerstanden P_sh en de MOSFET's. Deze verliezen zijn door geleiding P_cond, schakelen P_sw, en diodeval P_dt:

De geschatte vermogensdissipatie bedroeg 1,303 W voor elke MOSFET en 0,281 W voor elke shuntweerstand.

Thermische simulaties

Celsius™ stelt ontwerpers in staat simulaties uit te voeren met inbegrip van een elektrische analyse van het systeem die stroomdichtheden in sporen en doorgangen, alsook spanningsverliezen toont. Deze simulaties vereisen dat ontwerpers de stroomlussen definiëren die van belang zijn met behulp van een circuitmodel voor het systeem. Het model dat voor elke halve brug van EVALSTDRIVE101 is gekozen, is weergegeven in Afbeelding 3. Hij bestaat uit twee constante stroomgeneratoren die tussen de uitgangs- en de voedingsconnectoren zijn geplaatst en drie kortsluitingen die de MOSFET's en de shuntweerstand omzeilen. De twee stroomlussen passen goed bij de gemiddelde stromen in het echte geval in de voedingsrail en het aardvlak, terwijl de stroom in de uitgangsbaan iets te groot is, een gunstige bedrijfstoestand voor het evalueren van de robuustheid van het ontwerp. Afbeelding 4 en Afbeelding 1 tonen de spanningsverliezen en de stroomdichtheid van de EVALSTDRIVE101 met een stroom van 15 A_rms. Spanningsverliezen ten opzichte van de nulreferentie wijzen op een bijzonder geoptimaliseerde layout met een afwezigheid van knelpunten en goed gebalanceerde uitgangen bij 28 mV, 25 mV, en 23 mV voor U, V, en W. Uitgang U vertoont de hoogste spanningsval, terwijl uitgang W, de laagste van de drie is vanwege de kortere weglengte vanaf de voedingsconnector. De stromen zijn goed verdeeld over de verschillende paden en hebben een gemiddelde dichtheid van minder dan 15 A/mm², wat de aanbevolen waarde is voor de dimensionering van stroomkabels. Enkele rode gebieden zijn gemarkeerd in de nabijheid van de MOSFET's, shuntweerstanden en connectoren. Deze vertegenwoordigen een hogere stroomdichtheid doordat de aansluitklemmen van de componenten kleiner zijn dan de onderliggende stroomsporen. De maximale stroomdichtheid ligt echter ver onder de limiet van 50 A/mm², wat realistisch gezien tot betrouwbaarheidsproblemen zou kunnen leiden.

Afbeelding 3: Modellering van de stroomlus. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Met de simulator kunnen ontwerpers steady-state- of transiënte simulaties opzetten en uitvoeren. De eerste methode levert één 2D-temperatuurkaart voor lagen en componenten, terwijl de tweede methode kaarten levert voor elk gesimuleerd tijdsinterval en opwarmcurves, maar dit gaat ten koste van een langere simulatietijd. Instellingen die nodig zijn voor steady-state simulatie kunnen worden toegepast op een transiënte simulatie, maar dit vereist bovendien de definitie van vermogensdissipatiefuncties voor de componenten. Transiënte simulaties zijn geschikt voor het definiëren van verschillende bedrijfstoestanden voor het systeem met stroombronnen die niet gelijktijdig actief zijn en om de tijd te beoordelen die nodig is om een stationaire temperatuur te bereiken.

Afbeelding 4: Gesimuleerde spanningsverliezen in de binnenlaag. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

EVALSTDRIVE101-simulaties werden uitgevoerd bij een omgevingstemperatuur van 28 °C met de warmteoverdrachtscoëfficiënt als randvoorwaarden en de twee-weerstands thermische modellen voor de apparaten. Deze modellen werden gebruikt in plaats van gedetailleerde thermische modellen zoals Delphi, aangezien zij rechtstreeks beschikbaar zijn in de datasheets van de componenten, hoewel dit enigszins ten koste gaat van de nauwkeurigheid van de simulatie. De resultaten in stationaire toestand voor de EVALSTDRIVE101 zijn weergegeven in Afbeelding 4 en de resultaten van de transiënte simulatie in Afbeelding 5. In de transiënte simulatie werden stapvermogensfuncties gebruikt om alle MOSEFT's en shuntweerstanden op tijdstip nul in te schakelen. Simulaties wezen uit dat het U-halfbruggedeelte het heetste gedeelte van de printplaat was. De Q1 MOSFET (hoge kant) had een temperatuur van 94,06 °C, gevolgd door de Q4 MOSFET (lage kant), R24 en R23 shuntweerstanden met temperaturen van respectievelijk 93,99 °C, 85,34 °C, en 85,58 °C.

Afbeelding 5: Gesimuleerde U-halfbrugcomponenten die opwarmen (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Opstelling voor thermische karakterisering

Een experimentele karakterisering van de thermische prestaties van EVALSTDRIVE101 werd uitgevoerd na de productie. In plaats van een motor te gebruiken die is aangesloten op een rembank, werd voor het gemak van de uitvoering een gelijkwaardige testbank overwogen, zoals afgebeeld in Afbeelding 6. De EVALSTDRIVE101 werd verbonden met een controlebord om de nodige aandrijfsignalen te genereren en geplaatst in een plexiglas doos om systeemkoeling door convectie te verkrijgen zonder toevallige luchtstroom. Boven het kastje werd een warmtebeeldcamera geplaatst (model TVS-200 van Nippon Avionics), die het bordje door een gat in het deksel van het kastje omlijstte. Een driefasige belasting werd aangesloten op de uitgangen van de kaart, en het systeem werd gevoed met 36 V. De belasting bestaat uit drie spoelen die in een sterconfiguratie zijn aangesloten om de motor na te bootsen. Elke spoel heeft een verzadigingsstroom van 30 A, een inductie van 300 µH en een parasitaire weerstand van slechts 25 mΩ. De lage parasitaire weerstand verminderde het Joule-warmte-effect in de spoelen aanzienlijk ten gunste van een verliesloze vermogensoverdracht tussen de printplaat en de belasting. Drie sinusvormige stromen werden opgewekt in de spoelen bij 15 A_rms door de juiste sinusvormige spanningen aan te leggen via het controlebord. Met deze methode werkte de eindtrap in een bedrijfstoestand die zeer dicht bij de uiteindelijke toepassing voor het aandrijven van de motor lag, met het voordeel dat er geen regelkring nodig was.

Afbeelding 6: Opstelling voor thermische karakterisering. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Meting van vermogensverlies

Een factor die de kwaliteit van de simulatieresultaten beïnvloedt, is zeker de nauwkeurigheid van de gegevens over het door elk apparaat op de vermogenstrap gedissipeerde vermogen. Deze gegevens werden verkregen met vereenvoudigde formules voor zowel de MOSFET's als de shuntweerstanden, zodat benaderingen werden ingevoerd. Er werden metingen verricht op de printplaat om de fout in de kwantificering van het gedissipeerde vermogen te evalueren. Het vermogensverlies P_loss van de printplaat werd gemeten als het verschil tussen het ingangsvermogen P_in en het aan de belasting geleverde vermogen aan de drie uitgangen P^U_out, P^V_out en P^W_out. De meting werd verricht met een oscilloscoop (model HDO6104-MS van Teledyne LeCroy) en met toepassing van de juiste wiskundige functies op de golfvormen: eerst werd het punt-voor-punt-product van de spanning en de stroom berekend, vervolgens werd het vermogen gemiddeld over een geheel aantal sinusoïde-cycli. De volgende tabel toont de meetresultaten bij omgevingstemperatuur en in warme toestand wanneer de vermogenstrap een stationaire toestand heeft bereikt. De totale waarde van het door de printplaat gedissipeerde vermogen, die eerder met formules was geschat, wordt ook gegeven.

Uit de resultaten blijkt een zeer goede overeenstemming tussen metingen en ramingen, die in overeenstemming is met de ingevoerde benaderingen. De formules geven een overschatting van de meting bij kamertemperatuur van 1,5%, hetgeen ruwweg een onderschatting van 3,9% oplevert in vergelijking met de gegevens voor warme toestand. Dit resultaat is in overeenstemming met de variabiliteit in verband met de aan-weerstand van de MOSFET's en de shuntweerstanden, aangezien bij de berekeningen nominale waarden werden gebruikt. Zoals verwacht waren alle vermogenswaarden hoger bij warme temperatuur dan bij kamertemperatuur als gevolg van de toename van de weerstanden van de spoelen en MOSFET's met de temperatuur. Uit de gegevens blijkt ook een verschil tussen de gemeten vermogens voor de drie uitgangen. Dit effect is te wijten aan de onbalans van de driefasige belasting, omdat de waarden van L en R van spoel tot spoel enigszins verschillen. Dit effect speelt echter een marginale rol, aangezien de waargenomen scheefstand kleiner is dan de scheefstand tussen de metingen en de schatting.

Temperatuur resultaten

De opwekking van sinusvormige stromen in de belasting en de verwerving van warmtebeelden door de warmtebeeldcamera werden gelijktijdig geactiveerd. De warmtebeeldcamera was voorheen geconfigureerd om elke 15 seconden warmtebeelden te verzamelen en in elke opname drie temperatuurmarkeringen voor de componenten Q1, Q4 en R23 op te nemen. Het systeem bleef actief tot de stationaire toestand was bereikt, na ongeveer 25 minuten. De omgevingstemperatuur die aan het eind van de test in de doos werd gemeten, bedroeg ongeveer 28 °C. Afbeelding 7 toont de opwarmingstransient van de plaat die werd afgeleid uit temperatuurmarkers en Afbeelding 8 toont de eindtemperaturen op de plaat. Uit de meting bleek dat de Q1 MOSFET de heetste component op de hele printplaat was met een temperatuur van 93,8 °C, terwijl de Q4 MOSFET en de weerstand R23 respectievelijk 91,7 °C en 82,6 °C bereikten. Zoals eerder besproken, simuleerde Celsius™ de Q1 MOSFET temperatuur op 94,06°C, de Q4 MOSFET temperatuur op 93,99°C, en de R23 temperatuur op 85,58 °C, wat een zeer goede overeenkomst met de metingen oplevert. Dezelfde overeenkomst kan ook worden gevonden in de tijdconstante van de verwarmingstransient, zoals gemakkelijk kan worden opgemaakt uit een rechtstreekse vergelijking van figuur 5 met Afbeelding 7.

Afbeelding 7: Gemeten U-halfbrugcomponenten die opwarmen. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Afbeelding 8: Gemeten stationaire temperaturen van de toplaag. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Samenvatting

STMicroelectronics heeft onlangs de EVALSTDRIVE101-evaluatiekaart uitgebracht, die is ontworpen met behulp van de Cadence® Celsius™ Thermal Solver. Deze kaart is bedoeld voor driefasige borstelloze motoren met hoog vermogen en lage spanning, zoals nodig is voor toepassingen die op batterijen werken. Hij omvat een compacte vermogenstrap van 50 cm² die meer dan 15 A_rms stroom aan de motor kan leveren zonder koellichaam of extra koeling. Door gebruik te maken van verschillende simulatiefuncties die in de thermische simulator zijn ingebouwd, was het niet alleen mogelijk om het temperatuurprofiel van de printplaat en de hot spots op de componenten van de vermogenstrap te voorzien, maar ook om een gedetailleerde beschrijving te krijgen van de spanningsverliezen en de stroomdichtheid langs de vermogenssporen, die moeilijk of helemaal niet haalbaar te verkrijgen zijn door experimentele metingen. Dankzij de simulatie-outputs kon de layout van de printplaat snel worden geoptimaliseerd, waarbij de plaatsing werd aangepast en zwakke punten in de layout werden gecorrigeerd, van vroeg in het ontwerp tot de signoff. Een thermische karakterisering met een infrarood camera toonde de goede overeenkomst aan tussen de gesimuleerde en gemeten stationaire temperaturen, evenals het transiënte temperatuurprofiel. Dit bewees de uitstekende prestaties van de kaart en de doeltreffendheid van de thermische simulator bij het helpen van ontwerpers om de ontwerpmarge te verkleinen en een snelle time-to-market te bereiken.