BLDC-moottoriohjauksen termisen suorituskyvyn optimointi haastavissa ympäristöissä

Harjattomia tasavirtamoottoreita (BLDC-moottoreita) käytetään yhä enemmän vaativissa lämpöolosuhteissa autoteollisuusympäristöissä, kuten sähköajoneuvoissa (EV), sekä teollisuussovelluksissa, kuten robotiikassa ja tuotantolaitteistoissa. Tehokas lämmönhallinta on suunnittelijoille keskeinen tekijä BLDC-moottoriohjauksen luotettavan toiminnan takaamiseksi. Heidän täytyy sen vuoksi kiinnittää erityistä huomiota MOSFET-tehotransistorien ja hilaohjainmikropiirien kytkentätaajuuteen, hyötysuhteeseen, käyttölämpötila-alueeseen ja kokoon. Heidän täytyy myös varmistaa, että ne täyttävät soveltuvin osin hyväksynnät, joihin kuuluvat AEC-Q101, tuotanto-osien hyväksymismenettely (PPAP) ja kansainvälisen autoteollisuuden työryhmän (IATF) standardi 16949:2016.

Lisäksi hilaohjainten tulisi olla yhteensopivia yleisten TTL (Transistor-Transistor Logic) -logiikkojen ja CMOS-jännitetasojen kanssa, jotta niiden liittäminen mikrokontrollereihin (MCU) olisi yksinkertaisempaa. Hilaohjainten täytyy myös pystyä suojaamaan MOSFET-transistoreja erilaisilta vikatiloilta, ja niillä pitää olla hyvin sovitetut etenemisviiveet, jotka mahdollistavat tehokkaan toiminnan korkeilla taajuuksilla.

Suunnittelijat voivat täyttää nämä vaatimukset yhdistämällä N-kaksikanavaiset avaustyyppiset MOSFET-transistorit korkeataajuisiin hilaohjainmikropiireihin kompaktien ja tehokkaiden ratkaisuiden tarjoamiseksi.

Tämä artikkeli alkaa yleiskatsauksella lämmönhallintaan liittyvistä näkökohdista BLDC-moottoriohjauksen suunnittelun kannalta. Sen jälkeen se tarjoaa lyhyen yhteenvedon AEC-Q101-, PPAP- ja IATF 16949:2016 -vaatimuksista. Sitten siinä esitellään esimerkkejä Diodes, Inc. -yrityksen huipputehokkaista N-kaksikanavaisista avaustyyppisistä MOSFET-transistoreista ja niihin sopivista hilaohjainmikropiireistä, jotka soveltuvat ajoneuvojen ja teollisuuden BLDC-moottoriohjausjärjestelmiin. Artikkelin lopussa käsitellään BLDC-ohjainpiirien piirilevyn layoutia sekä sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) minimointia ja termisen suorituskyvyn optimointia.

BLDC-moottorit ja kommutointi

Suurin ero BLDC- ja harjamoottoreiden välillä on siinä, että BLDC-moottoreissa tarvitaan mikrokontrolleriohjausta kommutoinnin aikaansaamiseksi. Tämä vaatii kykyä tunnistaa roottorin pyörimisasento. Asennon tunnistus voidaan toteuttaa käyttämällä virtamittausvastuksia tai Hall-antureita. Hall-anturien sijoittaminen moottorin sisälle 120 asteen välein on yleinen, tarkka ja tehokas tapa toteuttaa asennon tunnistus.

Tässä menetelmässä käytetään kuudesta MOSFET-tehotransistorista koostuvaa siltakonfiguraatiota BLDC-kolmivaihemoottorin ohjaukseen. Hall-anturit tuottavat digitaalisia signaaleja, joita mikrokontrolleri käyttää moottorin asennon määrittämiseen. Mikroprosessori tuottaa sen jälkeen ohjaussignaaleja MOSFET-transistorien avaamiseksi tarvittavassa järjestyksessä ja halutulla nopeudella moottorin ohjausta varten (kuva 1). Ohjattavuus on yksi BLDC-moottorien avainominaisuus.

Kuva 1: BLDC-kolmivaihemoottorissa on kolme asentoinformaatiota tuottavaa Hall-anturia. Näitä tietoja tarvitaan kuuden MOSFET-tehotransistorin ohjaukseen. (Kuvan lähde: Diodes, Inc.)

Etenemisviiveen käsittely

Mikrokontrollerin tuottamat ohjaussignaalit ovat liian heikkoja ohjaamaan suoraan MOSFET-tehotransistoria. Sen vuoksi mikrokontrollerin signaalien vahvistamiseen käytetään hilaohjainmikropiiriä. Hilaohjainmikropiirin käyttö aiheuttaa kuitenkin myös jonkin verran etenemisviivettä ohjaussignaaleihin. Lisäksi puolisiltahilaohjaimen kahdella kanavalla on hieman erilaiset vasteajat, mikä aiheuttaa vääristymän etenemisviiveessä. Pahimmassa tapauksessa yläpuolen kytkin voidaan avata ennen kuin alapuolen kytkin on kokonaan suljettu, jolloin molemmat kytkimet saattavat johtaa samanaikaisesti. Jos käy näin, syntyy oikosulku, ja moottoriohjaus tai moottori voi vaurioitua tai tuhoutua.

Etenemisviiveongelmien ratkaisuun on olemassa erilaisia tapoja. Yksi niistä on käyttää nopeaa mikrokontrolleria, joka voi reagoida riittävän nopeasti ja kompensoida etenemisviiveen. Tämän lähestymistavan kaksi potentiaalista ongelmaa ovat, että se vaatii kalliimman mikrokontrollerin ja että mikrokontrolleri tuo kytkentäprosessiin viivästysaikajakson, jolla varmistetaan, ettei kahta kytkintä voi koskaan kytkeä päälle samanaikaisesti. Tämä viivästysaika hidastaa koko kytkentäprosessia.

Useimpiin sovelluksiin suositeltavin vaihtoehto on käyttää hilaohjainta, jonka etenemisviive on lyhyt. Korkean suorituskyvyn hilaohjainmikropiirit tarjoavat myös ristiinjohtavuuden estävän logiikan, joka lisää entisestään järjestelmän luotettavuutta (kuva 2).

Kuva 2: Korkean suorituskyvyn hilaohjainmikropiirit tarjoavat ristiinjohtavuuksilta suojaavan logiikan (keskellä vasemmalla). Lisäksi niiden etenemisviiveet ovat minimaaliset. (Kuvan lähde: Diodes, Inc.)

Jäähdytys

MOSFET-tehotransistorien turvallinen ja tarkka ohjaus on ratkaisevaa BLDC-moottoreiden luotettavan toiminnan kannalta, samoin kuin MOSFET-tehotransistorien jäähdytys. Kaksi tärkeää tehopuolijohteiden lämmönhallintaan liittyvää spesifikaatiota ovat liitoskohdan ja kotelon välinen lämpöresistanssi (R_θJC) sekä liitoskohdan ja ympäristön välinen lämpöresistanssi (R_θJA). Molemmat ilmoitetaan Celsius-asteina wattia kohti (°C/W). R_θJC on laite- ja kotelokohtainen. Se on kiinteä arvo, joka riippuu muun muassa sirun koosta, sirun kiinnitysmateriaalista ja kotelon lämpöominaisuuksista.

R_θJA on laajempi käsite: se kattaa arvon R_θJC sekä juotosliitoksen ja jäähdytyslevyn lämpötilakertoimet. R_θJA voi olla MOSFET-tehotransistoreilla 10 kertaa suurempi kuin R_θJC. MOSFET-kotelon lämpötilan (T_C) pitäminen hallinnassa on erittäin tärkeää (kuva 3). Tämä tarkoittaa, että piirilevyn layout ja jäähdytyslevy ovat erittäin tärkeitä MOSFET-tehotransistorien lämpöhallintaratkaisun suunnittelussa. Lähes kaikki MOSFET-transistorin tuottama lämpö johdetaan pois piirikortin kuparialustan/jäähdytyslevyn kautta.

Kuva 3: R_θJA on keskeinen lämpöhäviön mittari, ja se voi olla 10 kertaa suurempi kuin R_θJC. (Kuvan lähde: Diodes, Inc.)

Autoteollisuuden standardit

Jotta näitä laitteita voitaisiin käyttää autoteollisuuden sovelluksissa, niiden on täytettävä yksi tai useampi alan standardi, kuten AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP ja IATF 16949:2016. AEC-Q100 ja AEC-Q101 ovat autoteollisuuden sovelluksissa käytettävien puolijohdekomponenttien luotettavuusstandardeja. PAPP on dokumentointi- ja seurantastandardi, ja IATF 16949:2016 on ISO 9001 -pohjainen laatustandardi. Tarkemmin sanottuna:

AEC-Q100 on vikaantumismekanismiin perustuva kuormitustesti koteloiduille mikropiireille, ja se kattaa neljä ympäristön käyttölämpötila-aluetta eli luokkaa:

• luokka 0: −40 ... +150 °C
• luokka 1: −40 ... +125 °C
• luokka 2: −40 ... +105 °C
• luokka 3: −40 ... +85 °C

AEC-Q101 määrää kuormitustestien mukaiset vähimmäisvaatimukset ja -olosuhteet erillisille laitteille, kuten MOSFET-tehotransistoreille, ja määrittelee käyttölämpötilaksi −40 °C ... +125 °C.

PPAP on 18-vaiheinen hyväksymismenettely uusille tai parannetuille komponenteille. Sen tarkoituksena on varmistaa, että komponentit täyttävät aina määritellyt vaatimukset. PPAP-menettelyyn kuuluu viisi vakioesittelytasoa, ja toimittaja ja asiakas neuvottelevat vaatimukset.

IATF 16949:2016 on standardiin ISO 9001 ja autoteollisuuden asiakaskohtaisiin vaatimuksiin perustuva autoteollisuuden laatujärjestelmä. Tämä standardi edellyttää, että sertifioinnin suorittaa kolmannen osapuolen auditoija.

Kaksikanavaiset MOSFET-tehotransistorit

Tehokas BLDC-moottoriohjaus voidaan toteuttaa käyttämällä N-kaksikanavaisia avaustyyppisiä FET-transistoreita, kuten Diodes Inc. -yrityksen teollisuussovelluksiin tarkoitettua mallia DMTH6010LPD-13 ja ajoneuvosovelluksiin suunnattua AEC-Q101-hyväksyttyä mallia DMTH6010LPDQ-13. Molemmat komponentit ovat PPAP-hyväksyttyjä, ja ne valmistetaan IATF 16949 -standardin mukaisesti sertifioiduissa laitoksissa. Näiden MOSFET-transistoreiden ominaisuuksiin kuuluu alhainen 2615 pikofaradin (pF) tulokapasitanssi (C_iss), joka mahdollistaa nopeat kytkentänopeudet, ja alhainen 11 milliohmin (mΩ) johtamisresistanssi (R_DS(on)), joka takaa korkean muuntotehokkuuden. Näiden ansiosta ne soveltuvat korkeataajuisiin korkean hyötysuhteen sovelluksiin. Nämä komponentit tarjoavat 10 voltin hilaohjauksen, ja ne on luokiteltu käyttöön lämpötilaan +175 °C asti. Ne käyttävät 5 mm x 6 mm:n PowerDI5060-8-koteloa, joka tarjoaa kookkaan jäähdytysalueen lämmönpoiston tehostamiseksi (kuva 4). Termisiin spesifikaatioihin kuuluvat:

• Vakaan tilan R_θJA on 53 °C/W, kun komponentti asennetaan FR-4-piirilevylle, joka käyttää 2 unssin (oz) kuparia ja lämpöläpivientejä pohjakerrokseen, joka koostuu 1 tuuman (in.) neliönmuotoisesta kuparilevystä
• R_θJC on 4°C/W
• Lämpötilaluokitus +175 °C

Kuva 4: DMTH6010LPD-13- ja DMTH6010LPDQ-13-transistorien PowerDI5060-8-kotelossa käytetään kookasta jäähdytysaluetta lämmön tehokkaampaa poisjohtamista varten. (Kuvan lähde: Diodes, Inc.)

Kaksikanavainen MOSFET-hilaohjain

Suunnittelijat voivat käyttää kaksikanavaisten MOSFET-tehotransistorien ohjaukseen kumpaa tahansa puolisiltahilaohjainta: teollisuussovelluksiin tarkoitettua mallia DGD05473FN-7 tai autoteollisuuden järjestelmiin AEC-Q100-hyväksyttyä mallia DGD05473FNQ-7. Nämä ohjaimet noudattavat myös PPAP-vaatimuksia, ja ne valmistetaan IATF 16949 -sertifioiduissa laitoksissa. Tulot ovat yhteensopivia TTL- ja CMOS-tasojen kanssa (3,3 volttiin asti), mikä yksinkertaistaa mikrokontrolleriliitäntää. Kelluvan yläpuolen ohjaimen jänniteluokitus on 50 volttia. Suojaustoimintoihin kuuluvat alijännitelukitus (UVLO) ja ristiinjohtavuuden estävä logiikka (katso jälleen kuva 2). Integroitu bootstrap-diodi auttaa minimoimaan piirilevytilan tarpeen. Muita ominaisuuksia ovat mm.:

• 20 nanosekunnin (ns) etenemisviive
• maksimi viiveen sovitus 5 ns
• ohjauksen maksimi lähtövirta 1,5 ampeeria (A) ja tulovirta 2,5 A
• alle 1 mikroampeerin (µA) valmiustilavirta
• AEC-Q100-luokan 1 käyttölämpötila-alue −40 ... +125 °C.

Lämpöön ja EMI-häiriöihin liittyviä näkökohtia

Edellä kuvattuja MOSFET-transistoreita ja ohjainmikropiirejä käyttävissä piirilevylayouteissa tulisi yhdistää kompakti rakenne ja niin suuret kuparialueet MOSFET-transistoreita varten kuin käytännöllistä. Näin voidaan taata lämmön paras mahdollinen poisjohtaminen. Kompakti rakenne minimoi silmukka-alueet, ja lyhyet johtopituudet minimoivat sähkömagneettiset häiriöt ja vähentävät sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen (EMC) liittyviä ongelmia.

EMC- ja termistä suorituskykyä voidaan parantaa entisestään lisäämällä piirikortin alapuolelle kiinteä sisäinen maataso sekä ylimääräinen virtataso. Lisäksi signaalijohdoille tulisi käyttää erillistä sisäkerrosta.

MOSFET-kotelolla on suuri vaikutus termiseen suorituskykyyn. Kolmen mallin, PowerDI5060-8, 3 mm x 3 mm:n PowerDI3333-8 ja 2 mm x 2 mm:n DFN2020-6, tarkastelu osoittaa, että suurimman jäähdytysalueen tarjoava PowerDI5060 mahdollistaa korkeimman tehohäviön, joka on 2,12 wattia (kuva 5).

Kuva 5: PowerDI5060-mallin (sininen viiva) tehonkesto on suurempi kahteen pienempään koteloon verrattuna. (Kuvan lähde: Diodes, Inc.)

Yhteenveto

Termisesti tehokkaita koteloita käyttävät kaksikanavaiset MOSFET-transistorit voidaan yhdistää niiden kanssa yhteensopiviin hilaohjainmikropiireihin. Tämä mahdollistaa kompaktit korkean suorituskyvyn BLDC-moottoriohjaimet auto- ja teollisuussovelluksiin. Nämä ratkaisut voivat täyttää luotettavuutta, dokumentointia ja laatua koskevat AEC-, PPAP- ja IATF-standardit. Kun komponentteja käytetään piirilevyjen parhaiden layoutkäytäntöjen mukaisesti, BLDC-moottoriohjauksen toteutuksessa voidaan saavuttaa paras mahdollinen terminen ja EMC-suorituskyky.

Suositeltavaa luettavaa

1. Käytä BLDC- ja PMS-moottoreissa anturitonta vektoriohjausta tarkkaan liikeohjaukseen
2. Millaiset enkooderin ominaisuudet parantavat kestävyyttä? Ehkäpä puolijohde-elektroniikka?
3. Miten valita ja käyttää kulmatunnistimia ohjaustehostimessa, moottoreissa ja robotiikassa