Come ottimizzare le prestazioni termiche dei comandi di motori BLDC in ambienti difficili

I motori brushless a corrente continua (BLDC) sono sempre più utilizzati in condizioni termiche difficili negli ambienti automotive dei veicoli elettrici (EV) e in applicazioni industriali come la robotica e le apparecchiature di produzione. Per i progettisti, la gestione termica efficace è un aspetto fondamentale per garantire il funzionamento affidabile dei comandi di motori BLDC. A tal fine, devono prestare particolare attenzione ai MOSFET di potenza e ai gate driver in CI per quanto riguarda la frequenza di commutazione, l'efficienza, l'intervallo della temperatura di funzionamento e il fattore di forma, assicurando al contempo la conformità a nome quali AEC-Q101, Production Part Approval Process (PPAP) e lo standard International Automotive Task Force (IATF) 16949:2016, ove applicabile.

Inoltre, i gate driver devono essere compatibili con i livelli di tensione standard della logica transistor-transistor (TTL) e CMOS per semplificare l'interfacciamento con i microcontroller (MCU). Devono inoltre essere in grado di proteggere i MOSFET da varie condizioni di guasto e avere ritardi di propagazione ben adattati per supportare il funzionamento efficiente ad alta frequenza.

Per soddisfare queste esigenze, i progettisti possono accoppiare i doppi MOSFET a canale N in modalità potenziata con gate driver in CI ad alta frequenza per creare soluzioni compatte ed efficienti.

Questo articolo inizia con una panoramica delle considerazioni sulla gestione termica nella progettazione dei comandi di motori BLDC, per poi riassumere brevemente i requisiti AEC-Q101, PPAP e IATF 16949:2016. Vengono quindi presentati esempi di doppi MOSFET a canale N in modalità potenziata ad alte prestazioni e dei gate driver in CI corrispondenti di Diodes, Inc. adatti ai sistemi di comando dei motori BLDC automotive e industriali. L'articolo si conclude con una discussione sulle considerazioni relative al layout della scheda CS per i circuiti di pilotaggio BLDC, compresa la riduzione al minimo delle interferenze elettromagnetiche (EMI) e l'ottimizzazione delle prestazioni termiche.

BLDC e commutazione

La differenza principale tra i BLDC e i motori a spazzole è che con i BLDC è necessario il controllo MCU per la commutazione. Ciò richiede la capacità di rilevare la posizione di rotazione del rotore. Il rilevamento della posizione può essere effettuato mediante resistori di rilevamento della corrente o sensori a effetto Hall. Il posizionamento dei sensori a effetto Hall all'interno del motore, separati di 120°, è un modo comune, preciso ed efficiente per implementare il rilevamento della posizione.

Il metodo prevede l'uso di una configurazione a ponte di sei MOSFET di potenza per pilotare un motore BLDC trifase. I sensori a effetto Hall producono segnali digitali che l'MCU utilizza per determinare la posizione del motore e quindi produrre i segnali di azionamento per commutare i MOSFET nella sequenza e alla velocità desiderate per controllare il funzionamento del motore (Figura 1). La controllabilità è un grosso vantaggio dell'utilizzo dei motori BLDC.

Figura 1: In un motore BLDC trifase, tre sensori a effetto Hall forniscono le informazioni sulla posizione necessarie per controllare la commutazione dei sei MOSFET di potenza. (Immagine per gentile concessione di Diodes, Inc.)

Gestione del ritardo di propagazione

I segnali di controllo prodotti dall'MCU sono troppo deboli per azionare direttamente i MOSFET di potenza, per cui si utilizza un gate driver in CI per amplificare i segnali dell'MCU. Tuttavia, l'introduzione di un gate driver in CI introduce anche un certo ritardo di propagazione dei segnali di controllo. Inoltre, i due canali di un gate driver a semiponte hanno tempi di risposta leggermente diversi che determinano lo skew del ritardo di propagazione. Nel peggiore dei casi, l'interruttore high-side può attivarsi prima che l'interruttore low-side sia completamente spento, con il risultato che entrambi gli interruttori conducono contemporaneamente. In questo caso, si verifica un cortocircuito e il comando motore o il motore stesso possono danneggiarsi anche irreparabilmente.

Esistono un paio di modi per affrontare i problemi del ritardo di propagazione. Uno di questi prevede l'uso di un MCU veloce, in grado di reagire abbastanza rapidamente da compensare il ritardo di propagazione. Due problemi potenziali di questo approccio sono che richiede un MCU più costoso e che l'MCU introduce una banda di tempo morto nel processo di commutazione per garantire che i due interruttori non siano mai accesi contemporaneamente. Questo tempo morto ritarda l'intero processo di commutazione.

L'alternativa preferita nella maggior parte delle applicazioni è quella di utilizzare un gate driver con un breve ritardo di propagazione. I gate driver in CI ad alte prestazioni includono anche una logica di prevenzione della conduzione incrociata per migliorare ulteriormente l'affidabilità del sistema (Figura 2).

Figura 2: I gate driver in CI ad alte prestazioni includono una logica di prevenzione della conduzione incrociata (al centro a sinistra) oltre a presentare ritardi di propagazione minimi. (Immagine per gentile concessione di Diodes, Inc.)

Tenetelo al fresco

Il pilotaggio sicuro e preciso dei MOSFET di potenza è fondamentale per il funzionamento affidabile dei motori BLDC, così come lo è assicurare che i MOSFET non si surriscaldino. Due importanti specifiche relative alla gestione termica dei semiconduttori di potenza sono la resistenza termica tra giunzione e involucro (R_θJC) e la resistenza termica tra giunzione e ambiente (R_θJA). Entrambe sono espresse in gradi Celsius per watt (°C/W). R_θJC è un parametro specifico per i dispositivi e i contenitori. Si tratta di una quantità fissa che dipende da fattori quali le dimensioni e il materiale di fissaggio del die e le caratteristiche termiche del contenitore.

R_θJA è un concetto più ampio: include R_θJC più i coefficienti di temperatura del giunto di saldatura e del dissipatore di calore. Per i MOSFET di potenza, R_θJA può essere 10 volte più grande di R_θJC. Il controllo della temperatura del contenitore del MOSFET (involucro) (T_C) è un aspetto fondamentale (Figura 3). Ciò significa che fattori come il layout della scheda e il dissipatore di calore sono molto importanti quando si sviluppa una soluzione di gestione termica per i MOSFET di potenza. La quasi totalità del calore generato dal MOSFET viene dissipata attraverso la piazzola in rame/il dissipatore di calore sulla scheda CS.

Figura 3: R_θJA è un parametro chiave nella dissipazione termica e può essere 10 volte superiore a R_θJC. (Immagine per gentile concessione di Diodes, Inc.)

Standard automotive

Per essere utilizzati in un'applicazione automotive, i dispositivi devono anche soddisfare uno o più standard industriali, tra cui AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP e IATF 16949:2016. AEC-Q100 e AEC-Q101 sono standard di affidabilità per i dispositivi a semiconduttore utilizzati nelle applicazioni automotive. PAPP è uno standard di documentazione e tracciabilità, mentre IATF 16949:2016 è uno standard di qualità basato su ISO 9001. Più precisamente:

AEC-Q100 è un test delle sollecitazioni basato sui meccanismi di guasto di CI confezionati e comprende quattro intervalli, o gradi, della temperatura di funzionamento ambientale:

• Grado 0: da -40 a +150 °C
• Grado 1: da -40 a +125 °C
• Grado 2: da -40 a +105 °C
• Grado 3: da -40 a +85 °C

AEC-Q101 definisce i requisiti e le condizioni minime dei test delle sollecitazioni per i dispositivi discreti come i MOSFET di potenza e specifica il funzionamento da -40 a +125 °C.

PPAP è un processo di approvazione in 18 fasi per componenti nuovi o modificati. È stato concepito per garantire che i componenti soddisfino costantemente i requisiti specificati. PPAP prevede cinque livelli standard di presentazione e i requisiti sono negoziati tra il fornitore e il cliente.

IATF 16949:2016 è un sistema di qualità per il settore automotive basato sulla norma ISO 9001 e sui requisiti specifici dei clienti del settore. Questo standard richiede la certificazione da parte di un revisore indipendente.

Doppi MOSFET di potenza

Per implementare il pilotaggio efficiente di un motore BLDC, i progettisti possono utilizzare doppi FET in modalità potenziata a canale N, come DMTH6010LPD-13 di Diodes Inc. per le applicazioni industriali e DMTH6010LPDQ-13, qualificato AEC-Q101 per le applicazioni automotive. Entrambi i componenti sono supportati da PPAP e prodotti in stabilimenti certificati IATF 16949. Questi MOSFET offrono una bassa capacità di ingresso (C_iss) di 2615 pF per supportare velocità di commutazione elevate e una bassa resistenza nello stato On (RDSon) di 11 mΩ per un'elevata efficienza di conversione, che li rende adatti ad applicazioni ad alta frequenza e alta efficienza. I dispositivi hanno un pilotaggio del gate da 10 V, sono classificati per il funzionamento fino a +175 °C e sono disponibili in un contenitore PowerDI5060-8 di 5 x 6 mm con un'ampia piazzola per un'elevata dissipazione termica (Figura 4). Le specifiche termiche includono:

• R_θJA in stato stazionario di 53 °C/W con il dispositivo montato su scheda CS FR-4 con 57 g di rame e fori di via termici verso uno strato inferiore che comprende una piastra in rame quadrata di 25,4 mm.
• R_θJC di 4 °C/W
• Limiti di impiego fino a +175 °C

Figura 4: DMTH6010LPD-13 e il DMTH6010LPDQ-13 utilizzano l'ampia piazzola del contenitore PowerDI5060-8 per supportare un'elevata dissipazione termica. (Immagine per gentile concessione di Diodes, Inc.)

Gate driver per doppi MOSFET

Per pilotare doppi MOSFET di potenza, i progettisti possono utilizzare uno dei due gate driver a semiponte: DGD05473FN-7 per le applicazioni industriali o DGD05473FNQ-7 con qualifica AEC-Q100 per i sistemi automotive. Questi driver sono inoltre supportati da PPAP e prodotti in stabilimenti certificati IATF 16949. Gli ingressi sono compatibili con i livelli TTL e CMOS (fino a 3,3 V) per semplificare il collegamento con un MCU e il driver high-side flottante ha limiti di impiego di 50 V. Le funzioni di protezione comprendono la logica di prevenzione UVLO e di conduzione incrociata (Figura 2). Il diodo bootstrap integrato consente di ridurre al minimo lo spazio sulla scheda CS. Le altre caratteristiche includono:

• 20 ns di ritardo di propagazione
• Corrispondenza ritardo massima 5 ns
• Corrente di pilotaggio massima di 1,5 A source e di 2,5 A drain
• Corrente di standby inferiore a 1 µA
• Intervallo della temperatura di funzionamento di grado 1 AEC-Q100 da -40 a +125 °C

Considerazioni termiche ed EMI

Le best practice di layout della scheda quando si utilizzano i MOSFET e i CI descritti sopra dovrebbero combinare un design compatto con le aree di rame più ampie possibili per i MOSFET, per garantire la migliore dissipazione termica possibile. Il design compatto riduce al minimo le aree di loop, mentre il cablaggio corto riduce al minimo le EMI e riduce i problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC).

Per migliorare ulteriormente le prestazioni EMC e termiche, è necessario includere nella scheda CS un solido piano di massa interno e un piano di alimentazione aggiuntivo sul fondo. Inoltre, per le linee di segnale si deve utilizzare uno strato interno separato.

Il contenitore del MOSFET ha un forte impatto sulle prestazioni termiche. Esaminando tre opzioni, PowerDI5060-8, PowerDI3333-8 di 3 x 3 mm e DFN2020-6 di 2 x 2 mm, si scopre che PowerDI5060, con la piazzola più grande, supporta una dissipazione di potenza più elevata, fino a 2,12 W (Figura 5).

Figura 5: PowerDI5060 (linea blu) dissipa più potenza rispetto ai due contenitori più piccoli. (Immagine per gentile concessione di Diodes, Inc.)

Conclusione

I doppi MOSFET di potenza in contenitori ad alta efficienza termica possono essere combinati con gate driver in CI corrispondenti per produrre comandi di motori BLDC compatti e ad alte prestazioni per applicazioni automotive e industriali. Queste soluzioni possono soddisfare gli standard AEC, PPAP e IATF rispettivamente per affidabilità, documentazione e qualità. Applicando le best practice di layout delle schede CS, i dispositivi possono aiutare i progettisti a ottenere le migliori prestazioni termiche ed EMC per l'implementazione di comandi di motori BLDC.

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