כיצד למטב את הביצועים התרמיים של דוחפי מנועים BLDC‏ בסביבות מאתגרות

מנועי זרם ישר ללא-מברשות (BLDC) משמשים יותר ויותר בתנאים תרמיים תובעניים בסביבות כלי-רכב כמו רכבים חשמליים (EVs), וביישומים תעשייתיים כמו רובוטיקה וציוד ייצור. עבור המתכננים, ניהול תרמי יעיל הוא שיקול מרכזי כדי להבטיח את הפעולה האמינה של דוחפי מנועי BLDC. לשם כך עליהם להקדיש תשומת לב מיוחדת ל-ICs‏ של MOSFET להספק ודוחפי שער בהתחשב בתדר המיתוג, הנצילות, תחום טמפרטורות הפעולה וגורם הצורה, ובמקביל להבטיח שהם עומדים בהרשאות כגון AEC-Q101, תהליך אישור חלקי ייצור (PPAP), ותקן 16949:2016‏, היכן שזה ישים של International Automotive Task Force‏ (IATF‏).

בנוסף, דוחפי השער צריכים להיות תואמים לרמות מתח סטנדרטיות של לוגיקת טרנזיסטור-טרנזיסטור (TTL) ו-CMOS כדי לפשט את הממשק עם מיקרו-בקרים (MCUs). הם גם צריכים להיות מסוגלים להגן על ה-MOSFETs מפני תנאי תקלה שונים, והם צריכים להיות בעלי שיהויי התפשטות תואמים היטב כדי לתמוך בפעולה יעילה בתדר גבוה.

כדי לענות על צרכים אלה, המתכננים יכולים לזווג MOSFETs‏ Enhancement Mode‏ תעלת-N‏ כפולים עם ICs של דוחפי שער בתדר גבוה כדי לייצר פתרונות קומפקטיים ויעילים.

מאמר זה מתחיל בסקירה כללית של שיקולי ניהול תרמי בעת תכנון דוחפי מנועי BLDC, ולאחר מכן מסכם בקצרה את הדרישות של AEC-Q101, PPAP ו-IATF 16949:2016. לאחר מכן הוא מציג דוגמאות של MOSFETs‏ Enhancement Mode‏ תעלת-N‏ כפולים ו-ICs של דוחפי שער תואמים של .Diodes, Inc המתאימים עבור מערכות דוחפי מנועי BLDC לכלי-רכב ולתעשייה. המאמר מסיים בדיון על שיקולי פריסת לוח מעגלים מודפסים עבור מעגלי דוחף BLDC, כולל מזעור הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ואופטימיזציה של הביצועים התרמיים.

BLDCs וקומוטציה

ההבדל העיקרי בין BLDCs לבין מנועים עם-מברשות הוא שבקרת MCU נחוצה עם BLDCs כדי להשיג קומוטציה. זה דורש את היכולת לגלות את מיקום הסיבוב של הרוטור. גילוי מיקום יכול להתבצע באמצעות נגדי חישת זרם או חיישני אפקט Hall‏. הצבת חיישני אפקט Hall‏ בתוך המנוע - מופרדים ב-120° - היא דרך נפוצה, מדויקת ויעילה לממש חישת מיקום.

השיטה כוללת שימוש בתצורת גשר של שישה MOSFETs להספק להנעת מנוע BLDC תלת-פאזי. חיישני אפקט Hall‏ מייצרים אותות דיגיטליים שבהם משתמש ה-MCU כדי לקבוע את מיקום המנוע, ולאחר מכן לייצר את אותות הדחיפה כדי למתג את ה-MOSFETs ברצף הנדרש ובקצב הרצוי עבור הבקרה על פעולת המנוע (איור 1). יכולת הבקרה היא יתרון מפתח בשימוש במנועי BLDC.

איור 1: במנוע BLDC תלת-פאזי, שלושה חיישני אפקט Hall‏ מספקים את מידע המיקום הדרוש לבקרת המיתוג של ששת ה-MOSFETs להספק. (מקור התמונה: Diodes, Inc.‎)

ההתמודדות עם שיהוי ההתפשטות

אותות הבקרה המיוצרים על ידי ה-MCU הם חלשים מכדי לדחוף ישירות את ה-MOSFETs להספק, ולכן IC‏ של דוחף שער משמש להגברת אותות ה-MCU. עם זאת, הכנסת IC של דוחף שער גורמת גם לשיהוי ההתפשטות מסוים של אותות הבקרה. בנוסף, לשני הערוצים בדוחף השער חצי-גשר יש זמני תגובה מעט שונים הגורמים ל-Skew‏ של שיהוי ההתפשטות. בתרחיש הגרוע ביותר, ניתן להפעיל את מתג הצד הגבוה לפני שמתג הצד הנמוך כבוי לחלוטין, וכתוצאה מכך שני המתגים מוליכים בו-זמנית. אם זה קורה, יהיה קצר חשמלי, ודוחף המנוע או המנוע עלולים להינזק או להיהרס.

ישנן מספר דרכים להתמודד עם בעיות שיהוי ההתפשטות. האחת כרוכה בשימוש ב-MCU מהיר שיכול להגיב מהר מספיק כדי לפצות על שיהוי ההתפשטות. שתי בעיות אפשריות בגישה זו הן שהיא דורשת MCU יקר יותר, וה-MCU מכניס זמן-מת לתהליך המיתוג כדי להבטיח ששני המתגים לעולם לא יהיו מופעלים בו-זמנית. זמן-מת זה מעכב את תהליך המיתוג הכולל.

החלופה המועדפת ברוב היישומים היא להשתמש בדוחף שער עם שיהוי התפשטות קצר. ICs‏ של דוחפי שער עם ביצועים גבוהים כוללים גם לוגיקה למניעת הולכה-צולבת כדי לשפר עוד יותר את אמינות המערכת (איור 2).

איור 2: ICs‏ של דוחפי שער עם ביצועים גבוהים כוללים גם לוגיקה למניעת הולכה-צולבת (משמאל למרכז) בנוסף לשיהויי התפשטות מינימליים. (מקור התמונה: Diodes, Inc.‎)

שמירה על הקור

דחיפה בטוחה ומדויקת של ה-MOSFETs להספק היא קריטית עבור פעולה אמינה של מנועי BLDC, כך גם השמירה על MOSFET להספק קר. שני מפרטים חשובים הקשורים לניהול תרמי עבור מוליכים-למחצה להספק הם ההתנגדות התרמית של הצומת-למארז (_θJC‏R‏) וההתנגדות התרמית של הצומת-לסביבה (_θJA‏R‏). שתיהן מבוטאות במעלות צלזיוס לכל וואט (C/W‏°). ה-_θJC‏R‏ הוא ספציפי להתקן ולמארז. הוא ערך קבוע התלוי בגורמים כמו גודל פיסת-הסיליקון, חומר חיבור פיסת-הסיליקון והמאפיינים התרמיים של המארז.

ה-_θJA‏R‏ הוא עיקרון נרחב יותר: הוא כולל את ה-_θJC‏R‏ ובנוסף את מקדמי נקודת ההלחמה וצלעות-הקירור. עבור MOSFETs להספק, ה-_θJA‏R‏ יכול להיות גדול פי 10 מה-_θJC‏R‏. שמירה על טמפרטורת מארז ה-MOSFET‏ (_C‏T‏) היא שיקול מפתח (איור 3). המשמעות היא שגורמים כמו פריסת הלוח וצלעות קירור הם חשובים מאוד בעת פיתוח פתרון ניהול תרמי עבור MOSFETs להספק. כמעט כל החום הנוצר ב-MOSFET יתפזר דרך פד הנחושת/צלעות-הקירור על לוח ה-PCB‏.

איור 3: _θJA‏R‏ הוא מדד מפתח לפיזור תרמי ויכול להיות גדול פי 10 מ-_θJC‏R‏. (מקור התמונה: Diodes, Inc.‎)

תקני כלי-רכב

כדי לשמש ביישומים בכלי-רכב, על ההתקנים לעמוד גם באחד או יותר תקנים תעשייתיים, כולל AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP ו-IATF 16949:2016. AEC-Q100 ו-AEC-Q101 הם תקני אמינות עבור התקני מוליכים-למחצה המשמשים ביישומים בכלי-רכב. PAPP הוא תקן תיעוד ומעקב, ו-IATF 16949:2016 הוא תקן איכות מבוסס ISO 9001. באופן יותר ספציפי:

AEC-Q100‏ הוא מבחן מאמץ מבוסס מנגנון-כשל עבור ICs במארז וכולל ארבעה תחומי טמפרטורות סביבה, או דירוגים:

• דירוג 0‏: 40°C- עד 150°C+
• דירוג 1‏: C‏°‏40‏- עד C‏ִ°‏125‏+
• דירוג 2‏: C‏°‏40‏- עד C‏°‏105‏+
• דירוג 3‏: C‏°‏40‏- עד 85°C+

AEC-Q101 מגדיר דרישות ותנאים מינימליים מונעי בדיקות מאמצים עבור התקנים בדידים כמו MOSFETs להספק והוא מגדיר פעולה בתחום של 40°C- עד 125°C+.

PPAP הוא תהליך אישור בן 18 שלבים עבור רכיבים חדשים או מעודכנים. הוא נועד להבטיח שהרכיבים עומדים בעקביות בדרישות שהוגדרו. ל-PPAP יש חמש רמות הגשה סטנדרטיות, והדרישות נידונות במשא ומתן בין הספק ללקוח.

IATF 16949:2016 היא מערכת איכות לכלי-רכב המבוססת על ISO 9001, ודרישות ספציפיות-ללקוח ממגזר כלי-רכב. תקן זה דורש הרשאה על ידי מבקר של צד שלישי.‏‎

MOSFETs להספק כפולים

כדי לממש דוחף מנוע BLDC יעיל, המתכננים יכולים להשתמש ב-FETs‏ Enhancement-Mode‏ תעלת-N‏ כפולים כדוגמת ה-DMTH6010LPD-13‏ של .Diodes Inc עבור יישומים תעשייתיים, ו-DMTH6010LPDQ-13‏ המורשה ל-AEC-Q101 עבור יישומים בכלי-רכב. שני החלקים נתמכים על ידי PPAP ומיוצרים במפעלים מורשי IATF 16949. ל-MOSFETs אלה יש קיבוליות כניסה (_iss‏C‏) נמוכה של 2,615 פיקו-פאראד (pF) לתמיכה במהירויות מיתוג גבוהות, והתנגדות נמוכה _(DS(on‏R‏) של 11 מילי-אוהם (mΩ) לטובת נצילות המרה גבוהה, ההופכות אותם למתאימים עבור יישומים בתדר גבוה ועם נצילות גבוהה. להתקנים יש דוחף שער של 10 וולט, הם בדירוג עבור פעולה עד 175°C+, והם מגיעים במארז PowerDI5060-8‏ של 5‏ מילימטר (מ"מ) x‏ 6 מ"מ עם פד הארקה (Drain‏) גדול לטובת פיזור תרמי גבוה (איור 4‏). המפרט התרמי כולל:

• _θJA‏R‏ במצב יציב של 53°C/W כאשר ההתקן מורכב על לוח PCB‏ FR-4 עם 2 אונקיות (oz‏) נחושת ועם מעברים (Vias‏) תרמיים לשכבה תחתונה המורכבת מלוחית נחושת מרובעת בגודל 1 אינץ' (.in)
• _θJC‏R‏ של 4°C/W
• מדורג ל-175°C+

איור 4: ה-DMTH6010LPD-13 ו-DMTH6010LPDQ-13 משתמשים בפד ההארקה (Drain‏) הגדול של מארז PowerDI5060-8 שלהם כדי לתמוך בפיזור תרמי גבוה. (מקור התמונה: Diodes, Inc.‎)

דוחף שער MOSFET‏ כפול

כדי לדחוף MOSFETs להספק כפולים, המתכננים יכולים להשתמש באחד משני דוחפי שער חצי-גשר: ה-DGD05473FN-7‏ עבור יישומים תעשייתיים, או ה-DGD05473FNQ-7‏ מורשה AEC-Q100 עבור מערכות כלי-רכב. דוחפים אלה נתמכים גם על ידי PPAP ומיוצרים במפעלים מורשי IATF 16949. הכניסות תואמות לרמות TTL ו-CMOS (נמוך עד 3.3 וולט) כדי לפשט את החיבור עם ה-MCU, והדוחף הצף של הצד-הגבוה מדורג ל-50 וולט. פונקציות ההגנה כוללות UVLO ולוגיקה למניעת הולכה-צולבת (ראו שוב איור 2). דיודת האתחול המשולבת עוזרת למזער את שטח לוח ה-PCB‏. מאפיינים אחרים כוללים:

• שיהוי התפשטות של 20 ננו-שניות (ns‏)
• תיאום שיהוי של ns‏ 5‏ מקסימום
• מקור של 1.5 אמפר (A) וזרם דחיפה מקסימלי של A‏ 2.5‏
• זרם אופן-המתנה של פחות מ-1‏ מיקרו-אמפר (µA‏)
• תחום טמפרטורות פעולה Grade 1‏ AEC-Q100‏ של C‏°‏40‏- עד C‏ִ°‏125‏+

שיקולים תרמיים ו-EMI

הפרקטיקות המומלצות לפריסת הלוח באמצעות MOSFETs ו-ICs‏ של דוחפים שפורטו לעיל חייבות לשלב תכן קומפקטי עם אזורי נחושת פרקטיים הגדולים ביותר עבור MOSFETs כדי להבטיח פיזור תרמי הטוב ביותר האפשרי. התכן הקומפקטי ימזער את שטחי החוגים, בעוד שאורכי חיווט קצרים ימזערו את ה-EMI ויפחיתו את חששות התאימות האלקטרומגנטית (EMC).

כדי לשפר עוד יותר את ה-EMC והביצועים התרמיים, יש לכלול בלוח ה-PCB‏ משטח הארקה פנימי מוצק ומשטח הספקת-כוח נוסף בתחתית. בנוסף, יש להשתמש בשכבה פנימית נפרדת עבור קווי האותות.

למארז ה-MOSFET יש השפעה גדולה על הביצועים התרמיים. בחינה של שלוש אפשרויות, ה-PowerDI5060-8, ה-PowerDI3333-8‏ של 3 מ"מ x‏ 3 מ"מ וה-DFN2020-6‏ של 2 מ"מ x‏ 2 מ"מ, מראה שה-PowerDI5060‏ עם משטח ההארקה הגדול ביותר תומך בפיזור ההספק הגבוה ביותר, המגיע ל-2.12 וואט ( איור 5).

איור 5: ה-PowerDI5060 (קו כחול) מפזר יותר הספק בהשוואה לשני המארזים הקטנים יותר. (מקור התמונה: Diodes, Inc.‎)

סיכום

רכיבי MOSFET להספק כפולים במארזים יעילים-תרמית ניתן לשלב עם ICs‏ של דוחפי שער תואמים כדי לייצר דוחפי מנועים BLDC‏ קומפקטיים עם ביצועים גבוהים עבור יישומים בכלי-רכב ובתעשייה. פתרונות אלה יכולים לעמוד בתקני AEC‏, PPAP‏ ו-IATF‏ עבור אמינות, תיעוד ואיכות, בהתאמה. באמצעות הפרקטיקות הטובות ביותר של פריסת לוח ה-PCB‏, ניתן להשתמש בהתקנים אלו כדי לעזור למתכננים להגיע לביצועים התרמיים וה-EMC הטובים ביותר עבור מימוש דוחפי מנועי BLDC שלהם.

קריאה מומלצת

1. השימוש בבקרת וקטור ללא-חיישנים עם מנועי BLDC ו- PMS‏ כדי לספק בקרת תנועה מדויקת
2. אילו סוגים של מאפייני אנקודר משפרים את העמידות? אולי אלקטרוניקת מצב-מוצק?
3. כיצד לבחור ולהשתמש בחיישני זווית עבור היגוי-כוח, מנועים ורובוטיקה