Lämpötilaoptimoitu korkeatehoinen invertterikortti akkukäyttöisiin sovelluksiin

Akkukäyttöiset moottoriohjausratkaisut voivat tuottaa nykyään yleisesti satojen wattien tehon hyvin alhaisilla käyttöjännitteillä. Tällaisissa sovelluksissa on välttämätöntä hallita moottorin ohjauselektroniikan läpi kulkevia virtoja järjestelmän kokonaistehokkuuden ja luotettavuuden varmistamiseksi. Moottorivirrat voivat itseasiassa nousta jopa kymmeniin ampeereihin. Tämä kasvattaa invertterin sisällä tapahtuvia tehohäviöitä. Invertterin komponenttien korkeampi tehohäviö nostaa lämpötiloja, heikentää suorituskykyä ja saattaa jopa äkillisiin virtakatkoksiin, jos sallitut enimmäisarvot ylittyvät. Termisen suorituskyvyn optimointi on kompaktiin kokoon yhdistettynä keskeinen osa invertterin suunnittelua, joka saattaa kätkeä sisäänsä sudenkuoppia, jos sitä ei tehdä oikealla tavalla. Yksi lähestymistapa tähän ongelmaan on ollut valmistaa prototyyppejä, joita parannetaan asteittain käyttöolosuhteissa suoritetun validoinnin perusteella. Normaalisti sähköiset ja termiset evaluoinnit on kuitenkin täysin erotettu toisistaan, eikä sähkötermisiä yhteisvaikutuksia olla huomioitu suunnitteluvaiheen aikana. Tämä on johtanut yleensä useisiin iteraatioihin ja pitkään markkinoilletuontiaikaan. Moottoriohjausjärjestelmien sähköisen ja termisen suorituskyvyn optimointiin on nykyään olemassa tehokkaampi vaihtoehtoinen menetelmä, jossa hyödynnetään nykyaikaisia simulointitekniikoita. Cadence® Celsius™ Thermal Solver, alan johtava sähkö- ja lämpösimulaatio-ohjelmisto järjestelmäanalyysejä varten, tarjoaa muutamassa minuutissa kokonaisvaltaisen ja tarkan arvion mallin suorituskyvystä sähköisestä ja termisestä näkökulmasta katsottuna. STMicroelectronics, johtava teollisten moottorinohjausmikropiirien valmistaja, on hienosäätänyt EVALSTDRIVE101-evaluointikorttinsa Celsius™-sovelluksella. Tuloksena on kolmivaiheisille harjattomille moottoreille tarkoitettu invertteri, joka pystyy tarjoamaan jopa 15 A_rms virtaa ja jota lopullisen sovelluksen suunnittelijat voivat käyttää referenssinä. Tässä artikkelissa kuvataan työnkulku, jonka avulla STMicroelectronics saattoi aloittaa EVALSTDRIVE101-evaluointikortin tuotannon ja vähentää termiseen optimointiin tarvittavaa työtä.

EVALSTDRIVE101

Evaluointikortti EVALSTDRIVE101 perustuu 75-volttiseen kolmen puolisillan hilaohjaimeen STDRIVE101, joka tarjoaa suojausominaisuudet ja joka käyttää 4x4 mm:n QFN (quad flat no-lead) -koteloa. Se sopii täydellisesti paristo- ja akkukäyttöisiin ratkaisuihin ja sisältää kuusi kolmeen puolisiltaan järjestettyä MOSFET-tehotransistoria STL110N10F7. Celsius™ helpotti huomattavasti EVALSTDRIVE101-evaluointikortin optimointiprosessia, sillä se mahdollisti kompaktin ja luotettavan ratkaisun toteuttamisen lyhyessä ajassa. Jäljempänä käsiteltäviä simulointituloksia käytettiin iteratiivisesti komponenttien sijoittelun optimointiin, tasojen ja johdinten muodon hienosäätöön, kerrospaksuuden muokkaukseen ja läpivientien lisäämiseen tai poistoon. Näiden avulla invertteristä saatiin tuotantokelpoinen versio. EVALSTDRIVE101-evaluointikortin optimoitu layout koostuu neljästä 2 oz:n kuparikerroksesta ja se leveys on 11,4 cm ja korkeus 9 cm. Sen maksimi kuormavirta on 15 A_rms akkujännitteellä 36 V. Lämmön kannalta EVALSTDRIVE101-evaluointikortin kaikkein kriittisin osa on tehoasteen alue, joka sisältää ennen kaikkea MOSFET-tehotransistorit, virtamittausvastukset, keraamiset ohituskondensaattorit, elektrolyyttiset tasauskondensaattorit ja liittimet. Tämän osan layoutia kutistettiin niin, että se vie vain puolet kortin kokonaiskoosta eli 50 cm². Samalla kiinnitettiin erityistä huomiota MOSFET-transistorien sijoitteluun ja reititykseen, koska nämä komponentit aiheuttavat suurimman osan tehohäviöistä invertterin toiminnan aikana. Kaikkien MOSFET-transistorien nieluterminaalien kuparipinta-ala maksimoitiin ylimmässä kerroksessa, ja se kopioitiin ja sitä suurennettiin mahdollisuuksien mukaan muissa kerroksissa lämmönsiirron parantamiseksi kortin alapintaa kohti. Näin kortin sekä ylä- että alapinnat edistävät tehokkaasti lämmön poistumista luonnollisen konvektion ja säteilyn avulla. Eri kerrosten välinen sähkö- ja lämpöyhteys toteutettiin halkaisijaltaan 0,5 mm:n läpivienneillä, jotka tehostavat ilmavirtausta ja parantavat jäähdytystä. Aivan MOSFET-transistorien juotoskohtien alapuolella sijaitsee joukko läpivientejä. Nämä ovat ohuempia ja niiden halkaisija on vain 0,3 mm. Tämä estää juotospastaa valumasta reikiin.

Tehohäviöiden arviointi

Kuva 1: Yläkerroksen simuloitu virtatiheys. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Kuva 2: Yläkerroksen simuloidut lämpötilat tasapainotilassa. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

EVALSTDRIVE101-evaluointikortin terminen optimointi aloitettiin arvioimalla invertterin tehohäviö sen käytön aikana. Tämä oli yksi lämpösimulaattorin tuloarvoista. Invertterin häviöt voidaan jakaa kahteen osaan: joulen laista johtuviin häviöihin piirikortin johtimissa ja elektroniikkakomponenteista johtuviin häviöihin. Celsius™ voi määrittää virtatiheydet ja kortin häviöt tarkasti suoraan ohjelmaan tuotujen asettelutietojen perusteella, mutta elektroniikkakomponenteista johtuvat häviöt täytyy laskea. Vaikka piirisimulaattorilla voitiin saada erittäin tarkkoja tuloksia, päätettiin käyttää yksinkertaistettuja kaavoja, jotta tehohäviöistä saataisiin kohtuullinen, joskin likimääräinen arvio. Komponenttien sähköisiä malleja ei monestikaan saada valmistajilta tai niitä voi olla vaikea tai mahdoton toteuttaa tyhjästä mallinnustietojen puutteen vuoksi. Tässä käytetyt kaavat puolestaan edellyttävät vain teknisistä tiedoista löytyviä perustietoja. Jos sekundääriset ilmiöt jätetään huomiotta, invertterin tehohäviö johtuu pääosin virtamittausvastusten P_sh ja MOSFET-transistorien sisäisistä häviöistä. Näitä häviötä aiheuttavat johtavuus P_cond, kytkentä P_sw ja diodihäviö P_dt:

Arvioitu tehohäviö oli 1,303 W kullekin MOSFET-transistorille ja 0,281 W kullekin virtamittausvastukselle.

Lämpösimulaatiot

Celsius™-ratkaisun avulla suunnittelijat voivat suorittaa simulaatioita, jotka kattavat järjestelmän sähköisen analyysin ja näyttävät johtimien ja läpivientien virtatiheydet sekä jännitehäviöt. Suunnittelijoiden täytyy määritellä näitä simulaatioita varten heitä kiinnostavat virtasilmukat järjestelmän piirimallin avulla. Kuvassa 3 näytetään EVALSTDRIVE101-evaluointikortin kuhunkin puolisiltaan käytettävä malli. Se koostuu kahdesta vakiovirtageneraattorista, jotka on sijoitettu lähdön ja virtalähteen liittimien väliin, sekä kolmesta MOSFET-transistorit ja virtamittausvastuksen ohittavasta oikosulkupiiristä. Nämä kaksi virtasilmukkaa vastaavat hyvin jännitetason ja maatason todellisia virtakeskiarvoja, kun taas lähtöreitin virta on hieman ylimitoitettu, mikä helpottaa mallin robustisuuden arviointia. Kuvassa 4 ja kuvassa 1 on esitetty EVALSTDRIVE101-evaluointikortin jännitehäviöt ja virtatiheys virran ollessa 15 A_rms. Jännitehäviöt suhteessa maareferenssiin korostavat erityisen optimoitua layoutia, jossa ei ole pullonkauloja ja jossa lähdöt U, V ja W ovat hyvin tasapainossa arvoilla 28 mV, 25 mV ja 23 mV. Lähdön U jännitehäviö on suurin, kun taas lähdön W jännitehäviö on näistä kolmesta pienin, koska reitti virtaliittimestä on lyhin. Virrat on jaettu hyvin eri reiteille, ja niiden keskimääräinen tiheys on alle 15 A/mm², mikä on suositeltava arvo virtajohtimien mitoitukseen. Jotkin punaisista alueista ovat MOSFET-transistorien, virtamittausvastusten ja liittimien läheisyydessä. Näillä alueilla virtatiheys on suurempi, koska komponenttien liittimet ovat pienempiä kuin niiden alla olevat virtajohtimet. Suurin virtatiheys alittaa kuitenkin huomattavasti raja-arvon 50 A/mm², mikä ylittäminen voisi todellisuudessa johtaa luotettavuusongelmiin.

Kuva 3: Virtasilmukan mallinnus. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Simulaattorin ansiosta suunnittelijat voivat määrittää ja suorittaa sekä tasapainotilan simulaatioita että transienttisimulaatioita. Ensin mainittu tarjoaa yksittäisen 2D-lämpötilakartan kerroksille ja komponenteille, kun taas jälkimmäinen tarjoaa kartat jokaiselle simuloidulle ajankohdalle ja lämpenemiskäyrät, mutta pidemmän simulointiajan kustannuksella. Tasapainotilan simulaatioon tarvittavia asetuksia voidaan käyttää myös transienttisimulaatiossa, mutta tämä edellyttää lisäksi komponenttien tehohäviöfunktioiden määrittelyä. Transienttisimulaatiot sopivat eri toimintatilojen määrittelyyn järjestelmässä, jossa virtalähteet eivät ole samanaikaisesti aktiivisia, sekä lämpötasapainotilan saavuttamiseen tarvittavan ajan arviointiin.

Kuva 4: Sisäkerroksen simuloidut jännitehäviöt. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

EVALSTDRIVE101-simulaatiot tehtiin ympäristölämpötilassa 28 °C käyttämällä lämmönsiirtokerrointa reunaehtona ja kahden vastuksen lämpömalleja kyseisiä laitteita varten. Näitä malleja käytettiin Delphin kaltaisten yksityiskohtaisten lämpömallien sijasta, koska ne ovat saatavilla suoraan komponenttien teknisistä tiedoista, vaikka tämä heikentääkin hieman simuloinnin tarkkuutta. EVALSTDRIVE101-evaluointikortin tasapainotilan tulokset esitetään kuvassa 4 ja transienttisimulaation tulokset kuvassa 5. Transienttisimulaatiossa käytettiin askeltehofunktioita kaikkien MOSFET-transistorien ja virtamittausvastuksien aktivointiin nollahetkellä. U-puolisillan alue todettiin simulaatioissa piirikortin kuumimmaksi alueeksi. Q1 MOSFET (yläpuoli) oli lämpötilassa 94,06 °C, ja sen jälkeen Q4 MOSFET (alapuoli), virtamittausvastukset R24 ja R23 lämpötiloissa 93,99 °C, 85,34 °C ja 85,58 °C.

Kuva 5: U-puolisillan komponenttien simuloitu lämpeneminen. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Termisen karakterisoinnin asetustyöt

EVALSTDRIVE101-evaluointikortin termisen suorituskyvyn kokeellinen karakterisointi tehtiin tuotannon jälkeen. Sen sijaan, että testissä olisi käytetty jarrupenkkiin liitettyä moottoria, siihen valittiin kuvassa 6 esitetty vastaava testipenkki sen helpon toteutuksen vuoksi. EVALSTDRIVE101 liitettiin ohjauskorttiin tarvittavien ohjaussignaalien generoimiseksi ja se sijoitettiin pleksilaatikon sisään järjestelmän jäähdyttämiseksi konvektiolla ilman tahatonta ilmavirtausta. Laatikon yläpuolelle sijoitettiin yksi lämpökuvannuskamera (Nippon Avionicsin malli TVS-200), joka kuvasi korttia laatikon kannessa olevan reiän kautta. Kortin lähtöihin yhdistettiin kolmivaihekuorma, ja järjestelmän jännite oli 36 V. Kuorma koostuu kolmesta tähtimuotoon johdotetusta kelasta, jotka emuloivat moottoria. Kunkin kelan kyllästysvirta on 30 A, induktanssi 300 µH ja loisresistanssi vain 25 mΩ. Alhainen loisresistanssi vähentää huomattavasti Joulen lämmitysvaikutusta kelojen sisällä kortin ja kuorman välisen häviöttömän tehonsiirron hyväksi. Ohjauskortilla generoitiin sinimuotoiset jännitteet, niin että kelojen sisään syötettiin kolme sinimuotoista virtaa 15 A_rms kukin. Tällä menetelmällä tehoaste toimi käyttöolosuhteissa, jotka muistuttivat hyvin paljon moottorin lopullista käyttösovellusta. Sen etuna oli myös, ettei säätöpiiriä tarvittu.

Kuva 6: Kuva siitä miten terminen karakterisointi suoritettiin. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Tehohäviön mittaus

Yksi simulointitulosten laatuun vaikuttava tekijä on varmasti tietojen tarkkuus kunkin laitteen tehohäviöstä tehoasteessa. Nämä tiedot saatiin käyttämällä sekä MOSFET-transistoreille että virtamittausvastuksille yksinkertaistettuja kaavoja. Tämä tarkoittaa likiarvojen käyttöä tarkkojen arvojen sijasta. Arvot mitattiin kortilta, mikä mahdollisti virheen arvioinnin häviötehon kvantifioinnissa. Kortin tehohäviö P_loss mitattiin tulotehon P_in ja kolmeen lähtökuormaan syötetyn tehon P^U_out, P^V_out ja P^W_out erona . Mittaus tehtiin oskilloskoopilla (malli Teledyne LeCroy HDO6104-MS) ja aaltomuotoihin sovellettiin asianmukaisia matemaattisia funktioita: ensin laskettiin jännitteen ja virran pistetulo pisteittäin, sitten tehon keskiarvo muodostettiin sinimuotoisten syklien kokonaislukumäärästä. Seuraavassa taulukossa esitetään mittaustulokset ympäristön lämpötilassa ja kuumana, kun tehoaste on saavuttanut tasapainotilan. Siinä näytetään lisäksi kortin tehohäviön kokonaisarvo, joka arvioitiin edellä kaavoilla.

Tulokset osoittavat, että mittaukset ja arviot vastaavat hyvin toisiaan, mikä on linjassa esitettyjen likimääräisten arvioiden kanssa. Kaavat yliarvioivat huonelämpötilan mittauksen 1,5 prosentilla, mikä johtaa noin 3,9 prosentin aliarviointiin kuuman tilan tietoihin verrattuna. Tämä tulos sopii myös MOSFET-transistorien ja virtamittausvastusten johtamisresistanssin toleransseihin, koska laskelmissa käytettiin nimellisarvoja. Kaikki tehoarvot olivat korkeassa lämpötilassa odotetusti korkeampia kuin huoneenlämmössä, koska käämien ja MOSFET-transistorien vastus kasvaa lämpötilan noustessa. Tiedot näyttävät myös eron kolmen lähdön mitattujen tehojen välillä. Tämä vaikutus johtuu siitä, että kelojen L- ja R-arvot poikkeavat hieman toisistaan eikä kolmivaihekuormaa ole tasapainotettu. Tällä vaikutuksella on kuitenkin vain marginaalinen merkitys, koska havaittu poikkeama on pienempi kuin mittausten ja arvion välinen poikkeama.

Lämpötilatulokset

Sinimuotoisten virtojen generointi kuormassa ja lämpökuvien ottaminen lämpökuvannuskameralla suoritettiin samanaikaisesti. Lämpökuvannuskamera oli sitä ennen konfiguroitu ottamaan lämpökuvia 15 sekunnin välein ja sisällyttämään jokaiseen mittaukseen kolme lämpötilamerkkiä komponenteille Q1, Q4 ja R23. Järjestelmä jatkoi toimintaansa, kunnes tasapainotila saavutettiin noin 25 minuutin kuluttua. Laatikon sisällä mitattu ympäristön lämpötila oli testin lopussa noin 28 °C. Kuvassa 7 näkyy kortin lämpenemistransientti, joka saatiin lämpötilamerkkien perusteella, ja kuvassa 8 näkyvät kortin lopulliset lämpötilat.  Mittaus osoitti, että Q1 MOSFET oli koko kortin kuumin komponentti, 93,8 °C, kun taas Q4 MOSFET oli 91,7 °C ja R23-vastus 82,6 °C. Kuten aiemmin todettiin, Celsius™ simuloi Q1 MOSFET-transistorin lämpötilaksi 94,06 °C, Q4 MOSFET-transistorin lämpötilaksi 93,99 °C ja R23-vastuksen lämpötilaksi 85,58 °C, mikä vastaa erittäin hyvin mittauksia. Sama vastaavuus on havaittavissa myös lämmitystransientin aikavakiossa, mikä voidaan nähdä helposti vertailemalla suoraan kuvaa 5 ja kuvaa 7.

Kuva 7: U-puolisillan komponenttien mitattu lämpeneminen. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Kuva 8: Yläkerroksen mitatut lämpötilat tasapainotilassa. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Yhteenveto

STMicroelectronics toi jokin aikaa sitten markkinoille EVALSTDRIVE101-evaluointikortin, joka on suunniteltu käyttäen Cadence® Celsius™ Thermal Solveria. Kortti on suunnattu akkukäyttöisiin sovelluksiin tarvittavan korkeatehoisen ja kolmivaiheisen harjattoman pienjännitemoottorin ohjaukseen. Se sisältää kompaktin 50 cm²:n tehoasteen, joka voi tarjota moottorille yli 15 A_rms virran ilman jäähdytyselementtiä tai lisäjäähdytystä. Lämpösimulaattoriin sisältyvät erilaiset simulointiominaisuudet mahdollistivat sekä kortin lämpötilaprofiilin ja kuumien alueiden ennakoinnin sen tehoasteen komponenteissa että myös yksityiskohtaisen kuvauksen saannin virtajohtimien jännitehäviöistä ja virtatiheydestä, minkä hankkiminen voisi olla hankalaa tai mahdotonta kokeellisilla mittauksilla. Simulointitulokset mahdollistivat kortin layoutin nopean optimoinnin, komponenttien sijoittelun säätämisen ja asettelun heikkouksien korjaamisen suunnittelun alkuvaiheesta aina tuotantoon saakka. Infrapunakameralla toteutettu terminen karakterisointi osoitti, että simuloitujen ja mitattujen tasapainotilan lämpötilojen sekä transienttilämpötilaprofiilin välinen vastaavuus oli hyvä. Tämä todisti kortin erinomaisesta suorituskyvystä ja lämpösimulaattorin tehokkuudesta, joiden avulla suunnittelijat voivat lyhentää suunnittelumarginaalia ja nopeuttaa markkinoilletuontia.