Thermisch optimiertes Hochleistungswechselrichterboard für batteriebetriebene Anwendungen

Heutzutage können batteriebetriebene motorgetriebene Lösungen in der Regel Hunderte von Watt Leistung bei sehr niedrigen Betriebsspannungen liefern. Bei solchen Anwendungen wird ein korrektes Management der durch die Elektronik des Motorantriebs fließenden Ströme als notwendig erachtet, um den Wirkungsgrad und die Systemzuverlässigkeit des Gesamtsystems zu gewährleisten. Tatsächlich können die Ströme der Motoren mehrere zehn Ampere übersteigen, was zu einer erhöhten Verlustleistung im Wechselrichter führt. Eine höhere Leistung zu den Wechselrichterkomponenten führt zu höheren Temperaturen, einer Leistungsminderung und sogar zu plötzlichen Unterbrechungen, wenn die zulässigen Nennwerte überschritten werden. Die Optimierung der thermischen Performance in Kombination mit einem kompakten Formfaktor ist ein Schlüsselaspekt in der Entwicklung von Wechselrichtern, der bei unzureichender Beachtung zu Fallstricken führen kann. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems war die Herstellung von Prototypen, die nach und nach durch Validierung im Feld verfeinert wurden. Die elektrische und die thermische Bewertung waren jedoch völlig getrennt, und die elektrisch-thermischen Kopplungseffekte wurden bei der Entwicklung nie berücksichtigt. Das führte in der Regel zu mehreren Überarbeitungen und einer langen Markteinführungszeit. Zur Optimierung der elektrisch-thermischen Performance von Motorsteuersystemen gibt es derzeit eine effektivere Alternativmethode, die sich moderne Simulationstechnologien zunutze macht. Cadence® Celsius™ Thermal Solver, die branchenführende elektrisch-thermische Co-Simulations-Software für die Systemanalyse, ermöglicht in nur wenigen Minuten eine globale und genaue Bewertung der Performance einer Entwicklung sowohl aus elektrischer als auch aus thermischer Sicht. STMicroelectronics, ein führender Hersteller von integrierten Schaltkreisen für die industrielle Motorsteuerung, hat sein Evaluierungsboard EVALSTDRIVE101 mit Celsius™ feinabgestimmt. Das Ergebnis ist ein Wechselrichter für dreiphasige bürstenlose Motoren, der einen Strom von bis zu 15 A_rms bereitstellen kann mit der Möglichkeit der Referenzierung für die Entwicklern der endgültigen Anwendung. In diesem Artikel beschreiben wir den Arbeitsablauf, der es STMicroelectronics ermöglichte, das EVALSTDRIVE101 in Produktion zu bringen und den Aufwand für die thermische Optimierung zu reduzieren.

EVALSTDRIVE101

Das EVALSTDRIVE101 basiert auf dem STDRIVE101, einem 75-V-Dreifach-Halbbrücken-Gate-Treiber mit Schutzfunktionen in einem flachen 4 x 4-mm-Gehäuse (QFN), das perfekt für batteriebetriebene Lösungen geeignet ist und sechs Leistungs-MOSFETs STL110N10F7 in drei Halbbrücken enthält. Celsius™ hat den Optimierungsprozess des EVALSTDRIVE101 drastisch vereinfacht und in kürzester Zeit ein kompaktes und zuverlässiges Design geschaffen. Die Simulationsergebnisse wurden, wie später erläutert, verwendet, um die Platzierung der Komponenten iterativ anzupassen, die Formen der Lagen und Leiterbahnen zu verfeinern, die Dicke der Lagen zu ändern und Durchkontaktierungen hinzuzufügen oder zu entfernen, um die produktionsreife Version des Wechselrichters zu erhalten. Das optimierte Layout des EVALSTDRIVE101 besteht aus vier Lagen mit 56,7 Gramm Kupfer, einer Breite von 11,4 cm und einer Höhe von 9 cm, das bei einer Batteriespannung von 36 V einen Strom von bis zu 15 A_rms an die Last liefern kann. Aus thermischer Sicht ist der kritischste Teil des EVALSTDRIVE101 der Bereich der Leistungsstufe, der hauptsächlich Leistungs-MOSFETs, Shunt-Widerstände, Keramik-Bypass-Kondensatoren, Elektrolytkondensatoren und Steckverbinder umfasst. Das Layout dieses Teils wurde stark verkleinert, so dass er nur die Hälfte der gesamten Platine abdeckt, d. h. 50 cm². In diesem Zusammenhang wurde der Platzierung und dem Verlegen der MOSFETs besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da diese Komponenten für den Großteil der Leistungsverluste beim Betrieb des Wechselrichters verantwortlich sind. Die Kupferfläche aller MOSFET-Abflussklemmen wurde auf der obersten Schicht maximiert und für andere Schichten repliziert und erweitert, wo dies möglich war, um die Wärmeübertragung zur Unterseite der Platine zu verbessern. Auf diese Weise tragen sowohl Ober- als auch Unterseite der Platine effektiv zur Wärmeabgabe durch natürliche Konvektion und Abstrahlung bei. Die elektrische und thermische Verbindung zwischen den verschiedenen Lagen wurde durch Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm hergestellt, die den Fluss der Luft erleichtern und die Kühlung verbessern. Direkt unter den freiliegenden Kontaktflächen der MOSFETs befindet sich ein Raster von Durchkontaktierungen, deren Durchmesser jedoch auf 0,3 mm reduziert wurde, um zu verhindern, dass Lötpaste in die Löcher fließt.

Schätzung der Verlustleistung

Abbildung 1: Simulierte Stromdichte der obersten Lage (Bildquelle: STMicroelectronics)

Abbildung 2: Simulierte Temperaturen der obersten Lage im Beharrungszustand (Bildquelle: STMicroelectronics)

Die thermische Optimierung des EVALSTDRIVE101 begann mit einer Schätzung der Verlustleistung des Wechselrichters während seines Betriebs, die einen Eingangswert des thermischen Simulators darstellte. Die Verluste des Wechselrichters lassen sich in zwei Bereiche teilen: die Verluste, die auf den Joule-Effekt innerhalb der Leiterbahnen zurückzuführen sind, und die Verluste, die durch elektronische Komponenten verursacht werden. Während Celsius™ Stromdichten und Platinenverluste direkt durch den Import von Layoutdaten präzise bestimmen kann, müssen die Verluste aufgrund von elektronischen Komponenten berechnet werden. Obwohl ein Schaltkreissimulator sehr genaue Ergebnisse liefern könnte, wurde beschlossen, vereinfachte Formeln zu verwenden, um eine vernünftige Schätzung der Verlustleistung zu erhalten, wenn auch mit Näherungswerten. Elektrische Modelle von Komponenten sind von den Herstellern möglicherweise nicht erhältlich und aufgrund fehlender Modellierungsdaten nur schwer oder gar nicht von Grund auf zu implementieren, während für die bereitgestellten Formeln nur grundlegende Informationen aus Datenblättern benötigt werden. Lässt man sekundäre Phänomene außer Acht, so wird die Verlustleistung des Wechselrichters von den Verlusten in den Shunt-Widerständen P_sh und den MOSFETs dominiert. Diese Verluste entstehen durch Leitung P_cond, Schalten P_sw und Diodenabfall P_dt:

Die geschätzte Verlustleistung betrug 1,303 W für jeden MOSFET und 0,281 W für jeden Shunt-Widerstand.

Thermische Simulationen

Mit Celsius™ können Entwickler Simulationen durchführen, die eine elektrische Analyse des Systems umfassen und Stromdichten in Leiterbahnen und Durchkontaktierungen sowie Spannungsabfälle zeigen. Diese Simulationen benötigen Entwickler, um Stromschleifen von Interesse mit Hilfe eines Schaltkreismodells für das System zu definieren. Das für jede Halbbrücke des EVALSTDRIVE101 verwendete Modell ist in Abbildung 3 dargestellt. Es besteht aus zwei Konstantstrom-Generatoren, die zwischen den Anschlüssen von Ausgang und Spannungsversorgung platziert sind, und drei Schaltkreisen, die die MOSFETs und den Shunt-Widerstand umgehen. Die beiden Stromschleifen bieten eine gute Anpassung an die realen Strommittelwerte von Versorgungsschiene Erdungsebene, während der Strom des Ausgangspfads leicht überdimensioniert ist – eine günstige Betriebsbedingung für die Bewertung der Robustheit des Designs. Abbildung 4 und Abbildung 1 zeigen die Spannungsabfälle und die Stromdichte des EVALSTDRIVE101 mit einem Strom von 15 A_rms. Die Spannungsabfälle hinsichtlich des Massebezugs zeigen ein besonders optimiertes Layout ohne Engpässe und gut abgestimmte Ausgänge mit 28 mV, 25 mV und 23 mV für U, V und W. Ausgang U zeigt den höchsten Spannungsabfall, während Ausgang W aufgrund der kürzeren Wegstrecke vom Netzstecker den niedrigsten der drei Ausgänge aufweist. Die Ströme sind gut auf die verschiedenen Pfade verteilt und haben eine mittlere Dichte von weniger als 15 A/mm², was dem empfohlenen Wert für die Dimensionierung von Stromleitern entspricht. Einige rote Bereiche sind in der Nähe der MOSFETs, Shunt-Widerstände und Steckverbinder markiert. Diese weisen eine höhere Stromdichte auf, da die Anschlussklemmen der Komponenten kleiner sind als die darunter liegenden Stromleitungen. Die maximale Stromdichte liegt jedoch weit unter der Grenze von 50 A/mm², die reell zu Zuverlässigkeitsproblemen führen könnte.

Abbildung 3: Modellierung der Stromschleife. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Der Simulator ermöglicht Entwicklern die Einrichtung und Durchführung von Simulationen im Verharrungs- und im Einschwingzustand. Ersterer liefert eine einzige 2D-Temperaturdarstellung für Lagen und Komponenten, während letztere Zuordnungen für jeden simulierten Zeitpunkt und Aufwärmkurven liefert, allerdings auf Kosten einer längeren Simulationszeit. Die für die Simulation im Verharrungszustand erforderlichen Einstellungen können auf eine Simulation im Einschwingzustand angewendet werden, was jedoch zusätzlich die Definition von Funktionen für die Verlustleistung der Komponenten erfordert. Simulationen im Einschwingzustand eignen sich für die Definition verschiedener Betriebszustände des Systems mit nicht gleichzeitig aktiven Spannungsquellen und zur Bewertung der Zeit, die für das Erreichen der Verharrungstemperatur erforderlich ist.

Abbildung 4: Simulierte Spannungsabfälle der inneren Lage (Bildquelle: STMicroelectronics)

Die Simulationen des EVALSTDRIVE101 wurden bei einer Umgebungstemperatur von 28 °C mit dem Wärmeübertragungskoeffizienten als Grenzbedingungen und den thermischen Modellen für die Komponenten mit zwei Widerständen durchgeführt. Diese Modelle wurden anstelle von detaillierten thermischen Modellen wie Delphi verwendet, da sie direkt in den Datenblättern der Komponenten verfügbar sind, auch wenn dies die Genauigkeit der Simulation etwas beeinträchtigt. Die Ergebnisse für das EVALSTDRIVE101 im Verharrungszustand sind in Abbildung 4 und die Ergebnisse der Einschwingsimulation in Abbildung 5 dargestellt. Bei der Einschwingsimulation wurden Leistungsstufenfunktionen verwendet, um alle MOSEFTs und Shunt-Widerstände zur Zeit Null zu aktivieren. In den Simulationen wurde der Bereich der U-Halbbrücke als die heißeste Stelle des Boards identifiziert. Der Q1-MOSFET (High-Side) lag bei 94,06 °C, gefolgt von Q4-MOSFET (Low-Side) und den R24- und R23-Shunt-Widerständen mit Temperaturen von 93,99 °C, 85,34 °C bzw. 85,58 °C.

Abbildung 5: Simulierte Erwärmung der Komponenten der U-Halbbrücke (Bildquelle: STMicroelectronics)

Einrichtung für die thermische Charakterisierung

Eine experimentelle Charakterisierung der thermischen Performance des EVALSTDRIVE101 wurde nach der Produktion durchgeführt. Anstelle eines Motors, der mit einem Bremsprüfstand verbunden ist, wurde aus Gründen der einfacheren Implementierung ein gleichwertiger Prüfstand in Betracht gezogen, wie in Abbildung 6 dargestellt. Das EVALSTDRIVE101 wurde mit einer Steuerplatine zur Erzeugung der erforderlichen Steuersignale verbunden und in einem Plexiglaskasten untergebracht, um eine Systemkühlung durch Konvektion ohne ungewollte Luftströmung zu erreichen. Über dem Kasten war eine Wärmebildkamera (Modell TVS-200 von Nippon Avionics) angebracht, die die Platine durch ein Loch in der Abdeckung des Kasten aufnahm. An die Ausgänge der Platine wurde eine dreiphasige Last angeschlossen, und das System wurde mit 36 V versorgt. Die Last besteht aus drei sternförmig verdrahteten Spulen, die den Motor emulieren. Die Spulen besitzen jeweils einen Sättigungsstrom von 30 A, eine Induktivität von 300 µH und einen parasitären Widerstand von nur 25 mΩ. Der niedrige parasitäre Widerstand reduzierte den Jouleschen Wärmeeffekt im Inneren der Spulen erheblich zugunsten einer verlustfreien Leistungsübertragung zwischen der Platine und der Last. In den Spulen wurden bei 15 A_rms drei sinusförmige Ströme durch Anlegen geeigneter sinusförmiger Spannungen über die Steuerplatine erzeugt. Mit dieser Methode wurde die Leistungsstufe in einem Zustand betrieben, der der endgültigen Motoranwendung sehr nahe kommt, mit dem Vorteil, dass kein Regelkreis erforderlich ist.

Abbildung 6: Einrichtung für die thermische Charakterisierung. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Messung der Verlustleistung

Ein Faktor, der sich auf die Qualität der Simulationsergebnisse auswirkt, ist sicherlich die Genauigkeit der Daten zur Verlustleistung der einzelnen Komponenten in der Leistungsstufe. Diese Daten wurden unter Verwendung vereinfachter Formeln sowohl für die MOSFETs als auch für die Shunt-Widerstände ermittelt, so dass Näherungswerte eingeführt wurden. Die Messung wurde an der Platine durchgeführt, um den Fehler bei der Quantifizierung der Verlustleistung zu bewerten. Die Verlustleistung P_loss der Platine wurde als Differenz zwischen der Eingangsleistung P_in und der an die Last abgegebenen Leistung an den drei Ausgängen P^U_out, P^V_out und P^W_out gemessen. Die Messung erfolgte mithilfe eines Oszilloskops (Modell HDO6104-MS von Teledyne LeCroy) unter Anwendung der entsprechenden mathematischen Funktionen auf die Wellenformen: Zunächst wurde das Punkt-zu-Punkt-Produkt von Spannung und Strom berechnet, dann wurde der Mittelwert der Leistung über eine ganzzahlige Anzahl von Sinuszyklen gebildet. Die folgende Tabelle zeigt die Messergebnisse bei Umgebungstemperatur und im heißen Zustand, wenn die Leistungsstufe den Verharrungszustand erreicht hat. Der Gesamtwert der Verlustleistung der Platine, der zuvor durch Formeln geschätzt wurde, wird ebenfalls angegeben.

Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung von Messungen und Schätzungen, die den eingeführten Näherungen entspricht. Die Formeln überschätzen die Messung bei Raumtemperatur um 1,5 %, was im Vergleich zu den Daten für den heißen Zustand eine Unterschätzung von etwa 3,9 % bedeutet. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Variabilität, die mit dem Betriebswiderstand der MOSFETs und der Shunt-Widerstände verbunden ist, da bei den Berechnungen Nennwerte verwendet wurden. Erwartungsgemäß waren alle Leistungswerte bei heißer Temperatur höher als bei Raumtemperatur, da die Widerstände der Spulen und MOSFETs mit der Temperatur zunahmen. Außerdem zeigen die Daten einen Unterschied zwischen den gemessenen Leistungen der drei Ausgänge. Dieser Effekt ist auf die asymmetrische dreiphasige Last zurückzuführen, da die Werte von L und R von Spule zu Spule leicht unterschiedlich sind. Dieser Effekt spielt jedoch nur eine untergeordnete Rolle, da die beobachtete Abweichung geringer ist als diejenige zwischen den Messungen und der Schätzung.

Temperaturergebnisse

Die Erzeugung von sinusförmigen Strömen in der Last und die Aufnahme von Wärmebildern durch die Wärmebildkamera wurden gleichzeitig aktiviert. Die Wärmebildkamera wurde zuvor so konfiguriert, dass sie alle 15 Sekunden Wärmebilder aufnimmt und jede Aufnahme drei Temperaturmarker für die Komponenten Q1, Q4 und R23 enthält. Das System blieb aktiv, bis nach etwa 25 Minuten der Verharrungszustand erreicht war. Die im Kasten festgestellte Umgebungstemperatur betrug am Ende des Tests etwa 28 °C. Abbildung 7 zeigt die Erwärmungsübergangs der Platine, die aus den Temperaturmarkern abgeleitet wurde, und Abbildung 8 zeigt die Endtemperaturen auf der Platine. Die Messung ergab, dass der Q1-MOSFET mit einer Temperatur von 93,8 °C das heißeste Bauteil auf der gesamten Platine war, während der Q4-MOSFET und der R23-Widerstand 91,7 °C bzw. 82,6 °C erreichten. Wie bereits erwähnt, simulierte Celsius™ die Temperatur des Q1-MOSFET mit 94,06 °C, die Temperatur des Q4-MOSFET mit 93,99 °C und die Temperatur von R23 mit 85,58 °C, was eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messungen ergab. Die gleiche Übereinstimmung findet sich auch bei der Zeitkonstante des Erwärmungsübergangs, wie aus dem direkten Vergleich von Abbildung 5 und Abbildung 7 leicht zu erkennen ist.

Abbildung 7: Gemessene Erwärmung der Komponenten der U-Halbbrücke. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Abbildung 8: Gemessene Temperaturen der obersten Lage im Beharrungszustand. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Zusammenfassung

STMicroelectronics hat vor kurzem das Evaluierungsboard EVALSTDRIVE101 herausgebracht, das mit Hilfe des Cadence® Celsius™ Thermal Solver entwickelt wurde. Das Board zielt auf die Steuerung von leistungsstarken bürstenlosen 3-Phasen-Niederspannungsmotoren ab, wie sie für batteriebetriebene Anwendungen benötigt werden. Es verfügt über eine kompakte Leistungsstufe von 50 cm², die ohne Kühlkörper oder zusätzliche Kühlung einen Strom von über 15 A_rms an den Motor liefern kann. Mithilfe verschiedener in den thermischen Simulator eingebetteter Funktionen war es nicht nur möglich, das Temperaturprofil des Boards und die heißen Stellen an den Komponenten der Leistungsstufe vorherzusehen, sondern auch eine detaillierte Beschreibung der Spannungsabfälle und der Stromdichte entlang der Leiterbahnen zu erhalten, was durch experimentelle Messungen nur schwer oder gar nicht möglich ist. Die Ausgaben der Simulationen ermöglichten eine schnelle Optimierung des Platinenlayouts, die Anpassung der Platzierung von Komponenten und die Korrektur von Layout-Schwächen von der frühen Phase der Entwicklung bis zur Abnahme. Eine thermische Charakterisierung mit einer Infrarotkamera zeigte die gute Übereinstimmung zwischen simulierten und gemessenen Verharrungstemperaturen sowie dem Einschwing-Temperaturprofil, was die hervorragende Leistung des Boards und die Effektivität des thermischen Simulators bei der Reduzierung der Entwicklungs- und Markteinführungszeit beweist.