לוח מהפך הספק-גבוה עם מודעות תרמית עבור יישומים מוזני סוללה

כיום, פתרונות מונעים מנוע מוזני-סוללה יכולים בדרך כלל לספק הספק של מאות ואטים תוך שימוש במתחי עבודה נמוכים מאוד. ביישומים כגון אלה, ניהול נכון של זרמים הזורמים באלקטרוניקה המניעה מנוע נחשב הכרחי ‏כדי להבטיח יעילות ואמינות מערכת כוללת. אכן, זרמי מנוע יכולים לעלות על עשרות אמפרים, דבר המוביל לפיזור הספק מוגדל במהפך. יותר הספק לרכיבי המהפך גורם לטמפרטורות גבוהות יותר, ירידה בביצועים ואפילו שברים פתאומיים אם עולים מעל דרוגים מקסימליים מותרים. האופטימיזציה של ביצועים תרמיים, בשילוב גורם צורה קומפקטי, הוא היבט עיקרי של שלב תכנון המהפך, שעלול להסתיר מלכודות אם לא מטופל כראוי. גישה אחת לבעיה זו הייתה הייצור של אבי-טיפוס עם שיפורים עוקבים תוך שימוש בתיקוף בשטח. אולם, הערכות חשמליות ותרמיות היו נפרדות לחלוטין, ואפקטים של צימוד חשמלי-תרמי לא טופלו אף פעם במהלך תכנון. זה בדרך כלל הניב מספר איטרציות ומשך זמן ארוך עד להגעה לשוק. כיום קיימת שיטה חלופית‏ אפקטיבית יותר לאופטימיזציה של הביצועים האלקטרו-תרמיים של מערכות בקרת מנוע על ידי הפקת תועלת מטכנולוגיות סימולציה מודרניות. Cadence® Celsius™ Thermal Solver, תוכנת סימולציה משותפת חשמלית-תרמית מובילה בתעשייה עבור ניתוח מערכת, מספקת במספר דקות בלבד הערכה כוללת מדויקת של ביצועי תכן מבחינה חשמלית ותרמית כאחת. STMicroelectronics, יצרנית מובילה של מעגלים-משולבים תעשייתיים לבקרת מנוע, כוונה את לוח ההערכה שלה EVALSTDRIVE101 על ידי שימוש ב-™Celsius. התוצאה היא מהפך עבור מנועים תלת-פאזיים ללא-מברשות המסוגל לדחוף זרם של עד ‎15 A_rms, עליו מתכנני יישום יכולים לסמוך. במאמר זה, אנו מנצלים את ההזדמנות לתאר את תהליך העבודה שאפשר ל-STMicroelectronics לייצר את ה-EVALSTDRIVE101, ובכך להקטין את המאמץ הדרוש עבור אופטימיזציה תרמית.

EVALSTDRIVE101

ה-EVALSTDRIVE101 מבוסס על ה-STDRIVE101‏, דוחף שער חצי-גשר משולש‏ V‏ 75 עם הגנות המסופק במארז‏ quad flat no-lead‏ (QFN) ‏4x4‏ מ"מ, התאמה‏ מושלמת עבור פתרונות מוזני-סוללה, ושישה טרנזיסטורי הספק MOSFET‏ STL110N10F7‏ מסודרים בשלושה חצאי-גשרים. ™Celsius מפשטת דרמטית את תהליך האופטימיזציה של ה-EVALSTDRIVE101 ובכך משיגים תכן קומפקטי ואמין תוך זמן קצר. תוצאות סימולציה, כפי שנדון בהמשך, שמשו להכוונת מיקום איטרטיבית של רכיבים, שיפור צורות של משטחי ופסי מוליכים, התאמת עובי שכבה והוספה או הסרה של קדחים מקצרים בין שכבות (Vias) כדי להשיג את גרסת המהפך המוכנה לייצור. הסידור הממוטב של ה-EVALSTDRIVE101 כולל ארבע שכבות עם ‎2 oz‏ נחושת, רוחב של 11.4 ס"מ וגובה של 9 ס"מ, שיכול לספק לעומס זרם של עד ‎15 A_rms תוך שימוש במתח סוללה של ‎36 V. מנקודת מבט תרמית, החלק הקריטי ביותר של ה-EVALSTDRIVE101 הוא אזור דרגת ההספק שכולל בעיקר טרנזיסטורי הספק MOSFET, נגדי מצד (shunt resistors), קבלי מעקף קרמיים, קבלים אלקטרוליטיים bulk ומחברים. הסידור של חלק זה כווץ במידה רבה כדי לכסות רק מחצית מהגודל הכולל של הלוח, ז"א ‎50 cm². בקשר לזה, תשומת לב מיוחדת ננקטה למיקום וניתוב של טרנזיסטורי MOSFET מאחר ורכיבים אלה אחראים למרבית הפסדי ההספק במהלך עבודת המהפך. שטח הנחושת של כל מגעי השפך (Drain) של טרנזיסטורי ה-MOSFET‏ הוגדל למקסימום בשכבה העליונה והועתק והוגדל היכן שאפשר בשכבות האחרות כדי לשפר מעבר חום בכיוון התחתית של משטח הלוח. באופן זה, שני משטחי הלוח, העליון והתחתון, למעשה תורמים לפיזור חום על ידי הסעה טבעית וקרינה. חיבור חשמלי ותרמי בין שכבות שונות סופק על ידי קדחים מקצרים בין שכבות (Vias) בקוטר של 0.5 מ"מ, שמקלים על זרימת אוויר ומשפרים קירור. רשת של קדחים מקצרים בין שכבות (Vias) ממוקמת ישירות מתחת לפדים החשופים של טרנזיסטורי ה-MOSFET‏, אך קוטרם הוקטן ל-‏0.3‏ מ"מ כדי למנוע reflow של משחת הלחמה בחורים.

הערכת הפסדי הספק

איור 1‏: צפיפות זרם שכבה עליונה מדומה. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

איור 2: טמפרטורות מצב יציב שכבה עליונה מדומה (מקור תמונה: STMicroelectronics)

אופטימיזציה תרמית של ה-EVALSTDRIVE101 התחילה מהערכה של ההספק המפוזר על ידי המהפך במהלך עבודתו המהווה את אחת הכניסות של הסימולטור התרמי. ניתן לפצל את הפסדי המהפך לשני מקורות: האחד הנגרם בשל אפקט Joule בתוך הפסים המוליכים של לוח המעגל המודפס והשני הנגרם על ידי הרכיבים האלקטרוניים. בעוד ™Celsius יכולה לקבוע במדויק צפיפויות זרם והפסדי לוח ישירות על ידי הזנת נתוני סידור לוח, את ההפסדים הנגרמים על ידי רכיבים אלקטרוניים חייבים לחשב. למרות שסימולטור מעגל יכול לספק תוצאות מדויקות מאוד, הוחלט להשתמש בנוסחה מפושטת כדי לקבל הערכה הגיונית של הפסדי ההספק, אם כי עם קירובים. למעשה, מודלים חשמליים של רכיבים עלולים להיות לא זמינים מיצרנים וקשה, או בלתי אפשרי לממש מאפס בשל העדר נתוני מידול, בעוד נוסחאות מסופקות דורשות אינפורמציה בסיסית בלבד מגיליונות נתונים. אם לא נחשיב תופעות שניוניות, פיזור הספק של המהפך נשלט על ידי הפסדים בתוך נגדי המצד (shunt resistors‏) P_sh וטרנזיסטורי ה-MOSFET‏. הפסדים אלה מתרחשים על ידי הולכה P_cond, מיתוג P_sw ומפלי דיודה P_dt:

פיזור הספק מוערך היה ‎1.303 W עבור כל MOSFET‏ ו-0.281‎ W עבור כל נגד מצד.

סימולציה תרמית

™Celsius מאפשרת למתכננים לבצע סימולציות הכוללות‏ ניתוח חשמלי של המערכת המראה צפיפויות זרם בפסים מוליכים וקדחי חיבור בין שכבות נחושת (Vias), כמו גם נפילות מתח. סימולציות אלו דורשות ממתכננים להגדיר חוגי זרם בעלי ענין תוך שימוש בדגם‏ מעגל עבור המערכת. הדגם המאומץ עבור כל חצי-גשר של EVALSTDRIVE101 מוצג באיור 3. הוא כולל שני מחוללי זרם קבוע הממוקמים בין מחברי היציאה וספק-הכוח ושלושה מעגלי קצר העוקפים את טרנזיסטורי ה-MOSFET‏ ונגדי המצד. שני חוגי הזרם מספקים התאמה טובה עם זרמים ממוצעים אמיתיים בכל פס האספקה ומשטח ההארקה בעוד זרם מסלול היציאה ‏גדול מדי במעט, תנאי עבודה נוח עבור הערכת חוסן תכן. איור 4‏ ואיור 1‏ מציגים את נפילות המתח וצפיפות הזרם של ה-EVALSTDRIVE101 עם זרם של ‎15 A_rms. נפילות מתח ביחס להארקה מדגישות סידור ממוטב במיוחד עם העדר צווארי בקבוק ויציאות מאוזנות היטב ב-28mV,‏ 25mV ו-23mV עבור U‏, V ו-W. יציאת U‏ מציגה את נפילת המתח הגבוהה ביותר בעוד יציאה W את הנמוכה ביותר מהשלוש בשל אורך המסלול הקצר יותר ממחבר האספקה. הזרמים מחולקים היטב בין המסלולים השונים והם בעלי צפיפות ממוצעת מתחת ל-‎15 A/mm², שהיא הערך המומלץ עבור קביעת גודל פס מוליך הספקי. אזורים אדומים מסוימים מודגשים בקרבת טרנזיסטורי ה-MOSFET‏, נגדי המצד והמחברים. אלה מייצגים‏ צפיפות זרם גבוהה יותר בשל היות הדקי הרכיבים קטנים יותר מפסי ההספק מתחתיהם. עם זאת, צפיפות הזרם המקסימלית היא הרבה מתחת למגבלה של ‎50 A/mm², שיכולה באופן מציאותי לגרום לבעיות אמינות.

איור 3‏: מידול חוג זרם. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

הסימולטור מאפשר למתכננים להקים ולהריץ סימולציות מצב-יציב או טרנזיינטיות. הראשונה מספקת מפת טמפרטורות‏ דו-ממדית יחידה עבור שכבות ורכיבים, בעוד השניה מספקת מפות עבור כל רגע זמן סימולציה ועקומות התחממות במחיר של זמן סימולציה ארוך יותר. ההגדרות הדרושות עבור סימולציה של מצב-יציב ניתנות ליישום בסימולציה טרנזיינטית, אך בנוסף זה דורש את ההגדרה של פונקציות פיזור הספק עבור הרכיבים. סימולציות טרנזיינטיות מתאימות כשמגדירים מצבי פעולה שונים עבור המערכת עם מקורות אספקה לא פעילות סימולטנית וכדי להעריך את הזמן הדרוש כדי להגיע לטמפרטורת‏ מצב-יציב.

איור 4‏: נפילות מתח שכבה פנימית מדומות. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

סימולציות ‏EVALSTDRIVE101 נעשו בטמפרטורת סביבה של ‎28°C עם מקדם העברת החום בתנאי גבול ומודלים תרמיים של שני הנגדים עבור ההתקנים. מודלים אלה שמשו במקום מודלים תרמיים מפורטים כמו Delphi מאחר והם זמינים ישירות בגליונות הנתונים של הרכיבים, למרות שזה מקריב במעט את דיוק הסימולציה. תוצאות מצב יציב עבור ה-EVALSTDRIVE101 מסופקות באיור 4‏ ותוצאות סימולציה טרנזיינטית באיור 5‏. פונקציות אספקת-כוח מדרגה שמשו בסימולציה הטרנזיינטית כדי לאפשר את עבודת כל טרנזיסטורי ה-MOSEFT ונגדי המצד בזמן אפס. הסימולציות זיהו את אזור חצי-הגשר U כחם ביותר בלוח. ה-Q1 MOSFET (צד-גבוה) היה ב-94.06‎ °C ולאחריו Q4 MOSFET (צד-נמוך) ונגדי מצד R24 ו-R23, בטמפרטורות של 93.99‎ °C,‏ 85.34‎ °C ו-‎85.58 °C, בהתאמה.

איור 5‏: התחממות מדומה של רכיבי‏ חצי-גשר U. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

כינון אפיון תרמי

לאחר ייצור נעשה איפיון נסיוני של ביצועים תרמיים של EVALSTDRIVE101. במקום להשתמש במנוע מחובר‏ לשולחן בלימה, בגלל קלות מימוש נשקלה עמדת בדיקה אקוויוולנטית כמתואר באיור 6‏. ה-EVALSTDRIVE101 חובר ללוח בקרה כדי לחולל את אותות הדחיפה הדרושים ומוקם בתוך קופסת זכוכית אקרילית כדי להשיג קירור מערכת על ידי הסעה ללא זרימת אוויר אקראית. מעל לקופסה מוקמה מצלמת דימות תרמית (דגם TVS-200 של Nippon Avionics), שצלמה את הלוח דרך חור במכסה הקופסה. עומס‏ תלת-פאזי חובר ליציאות הלוח, והמערכת קיבלה אספקה של ‎36 V‏. העומס מורכב משלושה סלילים מחוברים בתצורת כוכב כדי לדמות מנוע. לכל סליל‏ יש זרם רוויה של ‎30 A‏, השראות של ‎300 µH‏ והתנגדות פרזיטית של 25‎ mΩ בלבד. ההתנגדות הפרזיטית הנמוכה מקטינה במידה ניכרת את אפקט חימום Joule בתוך הסלילים לטובת העברת כוח ללא אבדן בין הלוח והעומס. שלושה זרמים סינוסואידליים של ‎15 A_rms נוצרו בתוך הסלילים על ידי החלת מתחים סינוסואידליים מתאימים דרך לוח הבקרה. בשיטה זו, דרגת ההספק עבדה בתנאי פעולה דומים מאוד ליישום סופי של דחיפת מנוע, ‏עם היתרון שלא נדרש חוג בקרה.

איור 6‏: כינון אפיון תרמי. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

מדידת הפסדי הספק

גורם אחד שמשפיע על איכות תוצאות הסימולציה הוא בוודאי דיוק הנתונים של ההספק המפוזר על ידי כל אחד מההתקנים בדרגת ההספק. נתונים אלה הושגו תוך שימוש בנוסחה מפושטת עבור טרנזיסטורי ה-MOSFET כמו גם נגדי המצד, לפיכך נעשו קירובים. מדידה נעשתה על הלוח כדי להעריך את השגיאה בכימות ההספק המפוזר. הפסד ההספק P_loss של הלוח נמדד כהפרש בין הספק הכניסה P_in וההספק הנמסר לעומס בשלוש היציאות P^U_out,‏ P^V_out ו-P^W_out. המדידה נעשתה תוך שימוש באוסצילוסקופ (דגם HDO6104-MS של Teledyne LeCroy) ושימוש בפונקציות המתמטיות המתאימות לצורות הגל: ראשית חושבה המכפלה של המתח והזרם נקודה אחר נקודה, אחר כך חושב ממוצע ההספק לאורך מספר שלם של מחזורים סינוסואידליים. הטבלה הבאה מראה את תוצאות המדידות בטמפרטורת סביבה ובמצב חם כשדרגת ההספק הגיעה למצב קבוע. ערך ההספק הכולל שפוזר על ידי הלוח לפי הערכה קודמת על פי נוסחה מסופק גם כן.

התוצאות מציגות התאמה טובה מאוד בין מדידות והערכות, שהיא תואמת עם אמדנים שהוצגו. אמדן יתר של 1.5% של המדידה בטמפרטורת חדר נעשה על ידי הנוסחה, שנותנת אמדן חסר של 3.9% בערך בהשוואה לנתוני תנאי חום. התוצאה מתאימה לשונות הקשורה להתנגדות מצב-מופעל של טרנזיסטורי ה-MOSFET‏ ונגדי המצד מאחר וערכים נומינליים שמשו בחישובים. כמצופה, כל ערכי ההספק היו גבוהים יותר במצב חם בהשוואה לטמפרטורת חדר בשל עליית ההתנגדויות של הסלילים וטרנזיסטורי ה-MOSFET‏ עם טמפרטורה. הנתונים גם מראים‏ שוני בין ההספקים הנמדדים בשלוש היציאות. תופע זו נגרמת על ידי חוסר האיזון של עומסי שלוש הפאזות בגלל ערכים קצת שונים של L ו-R של הסלילים. עם זאת, תופעה זו משחקת תפקיד‏ שולי מאחר וחוסר האיזון הנצפה הוא נמוך מזה בין המדידות וההערכות.

תוצאות טמפרטורה

יצירת זרמים סינוסואידליים בעומס ואיסוף תמונות תרמיות על ידי מצלמת הדימות התרמית הופעלו בו-זמנית. מצלמת הדימות התרמית היתה מוגדרת מקודם לאסוף תמונות תרמיות כל 15 שניות ולכלול בכל לכידה שלושה סמני טמפרטורה עבור רכיבים Q1,‏ Q4 ו-R23. המערכת נשארה פעילה עד השגת מצב-יציב לאחר כ-25 דקות. טמפרטורת הסביבה שנתגלתה בתוך הקופסה בסוף הבדיקה היתה בערך 28°C. איור 7‏ מראה את טרנזיינט החימום של הלוח הנגזר מסמני טמפרטורה ואיור 8‏ מראה את הטמפרטורות הסופיות על הלוח.  המדידה הראתה שה-Q1 MOSFET‏ היה הרכיב החם ביותר על כל הלוח בטמפרטורה של ‎93.8°C, בעוד ה-Q4 MOSFET ונגד ה-R23 הגיעו ל-91.7°C ו-82.6°C, בהתאמה. כפי שדנו מקודם, סימולציית ™Celsius של טמפרטורת ה-Q1 MOSFET היתה ‎94.06°C, טמפרטורת ה-Q4 MOSFET הייתה ‏93.99‎°C וטמפרטורת ה-R23 הייתה ‎85.58°C, בהתאמה טובה מאוד עם המדידות. אותה התאמה ניתן למצוא גם בקבוע הזמן של טרנזיינט חימום כפי שניתן לראות בקלות מהשוואה ישירה של איור 5 ואיור 7.

איור 7‏: התחממות נמדדת של רכיבי‏ חצי-גשר U. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

איור 8‏: טמפרטורות נמדדות של שכבה עליונה במצב יציב. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

סיכום

STMicroelectronics השיקה לאחרונה את לוח ההערכה EVALSTDRIVE101, שתוכנן על ידי הפקת תועלת מה-Cadence® Celsius™ Thermal Solver. הלוח מיועד עבור בקרת מנוע תלת-פאזי מתח נמוך והספק גבוה, כפי שנדרש ביישומים מוזני-סוללה. הוא כולל‏ דרגת הספק קומפקטית של 50‎ cm² שיכולה לספק זרם של מעל 15‎ A_rms למנוע ללא גוף-קירור או קירור נוסף. על ידי שימוש במאפייני סימולציה שונים המשובצים בסימולטור תרמי, ניתן היה לא רק לחזות את פרופיל הטמפרטורה של הלוח ואת הנקודות-החמות שלו על רכיבי דרגת ההספק, אלא גם לקבל תאור מפורט של נפילות מתח וצפיפות זרם לאורך פסי מוליך הספקיים, שיכול להיות מסובך או בכלל לא בר-השגה על ידי מדידות נסיוניות. יציאות סימולציה אפשרו‏ מיטוב מהיר של סידור לוח, להתאים מיקום ותיקון חולשת סידור בשלב מוקדם בין תכנון לאישור סופי. אפיון תרמי באמצעות מצלמת‏ אינפרה-אדום הראה את ההתאמה הטובה בין טמפרטורות מצב-יציב מדומות ומדודות כמו גם פרופיל הטמפרטורה הטרנזיינטי, הוכיח ביצועי לוח יוצאים מן הכלל ואת היעילות של הסימולטור התרמי בסיוע למתכננים להקטין שולי תכנון ולהשיג זמן הגעה לשוק מהיר.