Optimierung der thermischen Leistung von BLDC-Motorantrieben in anspruchvollen Umgebungen

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) werden zunehmend unter anspruchsvollen thermischen Bedingungen in Automobilumgebungen wie Elektrofahrzeugen (EVs) und in industriellen Anwendungen wie Robotik und Industrieanlagen eingesetzt. Für Entwickler ist ein effektives Wärmemanagement ein entscheidender Faktor, um den zuverlässigen Betrieb von BLDC-Motorantrieben zu gewährleisten. Zu diesem Zweck müssen sie den Leistungs-MOSFETs und Gatetreiber-ICs im Hinblick auf Schaltfrequenz, Wirkungsgrad, Betriebstemperaturbereich und Formfaktor besondere Aufmerksamkeit schenken und gleichzeitig sicherstellen, dass sie Qualifikationen wie AEC-Q101, Production Part Approval Process (PPAP) und die Norm 16949:2016 der International Automotive Task Force (IATF) erfüllen, sofern anwendbar.

Darüber hinaus sollten die Gatetreiber mit den Standard-TTL- und CMOS-Spannungspegeln kompatibel sein, um die Anbindung an Mikrocontroller (MCUs) zu vereinfachen. Sie müssen auch in der Lage sein, die MOSFETs vor verschiedenen Fehlerzuständen zu schützen, und sie müssen gut angepasste Laufzeitverzögerungen haben, um einen effizienten Hochfrequenzbetrieb zu unterstützen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, können Entwickler Dual-N-Kanal-MOSFETs im Anreicherungsmodus mit Hochfrequenz-Gatetreiber-ICs kombinieren, um kompakte, effiziente Lösungen zu entwickeln.

Dieser Artikel beginnt mit einem Überblick über Überlegungen zum Wärmemanagement bei der Entwicklung von BLDC-Motorantrieben und fasst dann kurz die Anforderungen von AEC-Q101, PPAP und IATF 16949:2016 zusammen. Anschließend werden Beispiele für leistungsstarke Dual-N-Kanal-Anreicherungs-MOSFETs und passende Gatetreiber-ICs von Diodes, Inc. vorgestellt, die für BLDC-Motorantriebssysteme im Automobil- und Industriebereich geeignet sind. Der Artikel schließt mit einer Erörterung von Überlegungen zum Leiterplattenlayout für BLDC-Antriebsschaltungen, einschließlich der Minimierung elektromagnetischer Störungen (EMI) und der Optimierung der thermischen Leistung.

BLDCs und Kommutierung

Der Hauptunterschied zwischen BLDCs und Bürstenmotoren besteht darin, dass bei BLDCs eine MCU-Steuerung erforderlich ist, um die Kommutierung zu erreichen. Dies erfordert die Fähigkeit, die Drehposition des Rotors zu erkennen. Die Positionserkennung kann mit Strommesswiderständen oder Hall-Effekt-Sensoren erfolgen. Die Platzierung von Hall-Effekt-Sensoren innerhalb des Motors - mit einem Abstand von 120° - ist eine gängige, genaue und effiziente Methode zur Positionserfassung.

Bei dieser Methode wird eine Brückenkonfiguration aus sechs Leistungs-MOSFETs verwendet, um einen dreiphasigen BLDC-Motor anzutreiben. Die Hall-Effekt-Sensoren erzeugen digitale Signale, die von der MCU verwendet werden, um die Position des Motors zu bestimmen und dann die Treibersignale zu erzeugen, um die MOSFETs in der erforderlichen Reihenfolge und mit der gewünschten Geschwindigkeit zu schalten, um den Motorbetrieb zu steuern (Abbildung 1). Die Steuerbarkeit ist ein entscheidender Vorteil der Verwendung von BLDC-Motoren.

Abbildung 1: In einem dreiphasigen BLDC-Motor liefern drei Hall-Effekt-Sensoren die Positionsinformationen, die zur Steuerung des Schaltvorgangs der sechs Leistungs-MOSFETs benötigt werden. (Bildquelle: Diodes, Inc)

Umgang mit Laufzeitverzögerungen

Die von der MCU erzeugten Steuersignale sind zu schwach, um die Leistungs-MOSFETs direkt anzusteuern, daher wird ein Gatetreiber-IC zur Verstärkung der MCU-Signale verwendet. Die Einführung des Gatetreiber-ICs führt jedoch auch zu einer gewissen Laufzeitverzögerung der Steuersignale. Darüber hinaus haben die beiden Kanäle in einem Halbbrücken-Gatetreiber leicht unterschiedliche Reaktionszeiten, die zu einer Laufzeitverzögerung führen. Im schlimmsten Fall kann der High-Side-Schalter eingeschaltet werden, bevor der Low-Side-Schalter vollständig ausgeschaltet ist, was dazu führt, dass beide Schalter gleichzeitig leitend werden. In diesem Fall kommt es zu einem Kurzschluss, der den Motorantrieb oder den Motor beschädigen oder zerstören kann.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Probleme mit der Laufzeitverzögerung zu lösen. Eine davon ist die Verwendung einer schnellen MCU, die schnell genug reagieren kann, um die Laufzeitverzögerung auszugleichen. Zwei potenzielle Probleme bei diesem Ansatz sind, dass sie eine teurere MCU erfordert und die MCU eine Totzeitspanne in den Schaltprozess einführt, um sicherzustellen, dass die beiden Schalter nie gleichzeitig eingeschaltet sind. Diese Totzeit verzögert den gesamten Schaltvorgang.

Die bevorzugte Alternative für die meisten Anwendungen ist die Verwendung eines Gatetreibers mit einer kurzen Laufzeitverzögerung. Leistungsstarke Gatetreiber-ICs enthalten auch eine Logik zur Vermeidung von Querschlüssen, um die Systemzuverlässigkeit weiter zu erhöhen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Leistungsstarke Gatetreiber-ICs verfügen über eine Logik zur Verhinderung von Querschlüssen (Mitte links) und haben minimale Laufzeitverzögerungen. (Bildquelle: Diodes, Inc)

Kühlung

Die sichere und präzise Ansteuerung der Leistungs-MOSFETs ist entscheidend für den zuverlässigen Betrieb von BLDC-Motoren, ebenso wie die Kühlung der Leistungs-MOSFETs. Zwei wichtige Spezifikationen im Zusammenhang mit dem Wärmemanagement von Leistungshalbleitern sind der Wärmewiderstand zwischen Übergang und Gehäuse (R_θJC) und der Wärmewiderstand zwischen Übergang und Umgebung (R_θJA). Beide werden in Grad Celsius pro Watt (°C/W) angegeben. R_θJC ist geräte- und gehäusespezifisch. Es handelt sich um einen festen Wert, der von Faktoren wie der Größe des Chips, dem Material der Chipbefestigung und den thermischen Eigenschaften des Gehäuses abhängt.

R_θJA ist ein umfassenderes Konzept: Es beinhaltet R_θJC sowie die Temperaturkoeffizienten der Lötstelle und des Kühlkörpers. Bei Leistungs-MOSFETs kann R_θJA 10x größer sein als R_θJC. Die Kontrolle der Temperatur des MOSFET-Gehäuses (T_C) ist ein wichtiger Aspekt (Abbildung 3). Das bedeutet, dass Faktoren wie Platinenlayout und Kühlkörper bei der Entwicklung einer Wärmemanagementlösung für Leistungs-MOSFETs sehr wichtig sind. Fast die gesamte im MOSFET erzeugte Wärme wird über das Kupferpad/den Kühlkörper auf der Leiterplatte abgeleitet.

Abbildung 3: R_θJA ist eine wichtige Kennzahl für die Wärmeabgabe und kann 10-mal größer sein als R_θJC. (Bildquelle: Diodes, Inc.)

Normen für die Automobilindustrie

Um in einer Automobilanwendung eingesetzt werden zu können, müssen die Komponenten außerdem eine oder mehrere Industrienormen erfüllen, darunter AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP und IATF 16949:2016. AEC-Q100 und AEC-Q101 sind Zuverlässigkeitsstandards für Halbleiterbauelemente, die in Automobilanwendungen eingesetzt werden. PAPP ist eine Dokumentations- und Rückverfolgungsnorm, und IATF 16949:2016 ist eine auf ISO 9001 basierende Qualitätsnorm. Im Einzelnen:

AEC-Q100 ist ein auf Fehlermechanismen basierender Belastungstest für gehäuste ICs und umfasst vier Umgebungstemperaturbereiche bzw. Klassen:

• Klasse 0: -40 °C bis +150 °C
• Klasse 1: -40 °C bis +125 °C
• Klasse 2: -40 °C bis +105 °C
• Klasse 3: -40 °C bis +85 °C

AEC-Q101 definiert Mindestanforderungen und Bedingungen für Belastungstests für diskrete Bauelemente wie Leistungs-MOSFETs und spezifiziert den Betrieb von -40 °C bis +125 °C.

PPAP ist ein 18-stufiges Genehmigungsverfahren für neue oder überarbeitete Komponenten. Es soll sicherstellen, dass die Komponenten durchgängig die festgelegten Anforderungen erfüllen. PPAP umfasst fünf Standardvorlagenstufen, deren Anforderungen zwischen dem Lieferanten und dem Kunden ausgehandelt werden.

IATF 16949:2016 ist ein Qualitätssystem für die Automobilindustrie, das auf ISO 9001 und kundenspezifischen Anforderungen aus dem Automobilsektor basiert. Diese Norm erfordert eine Zertifizierung durch einen Prüfer einer ^dritten Partei.

Zweikanalige Leistungs-MOSFETs

Um einen effizienten BLDC-Motorantrieb zu implementieren, können Entwickler zweikanalige N-Kanal-FETs vom Anreicherungstyp verwenden, wie den DMTH6010LPD-13 von Diodes Inc. für industrielle Anwendungen und den DMTH6010LPDQ-13, der nach AEC-Q101 für Automobilanwendungen qualifiziert ist. Die Komponenten sind AEC-Q100-qualifiziert, PPAP-fähig und werden in IATF-16949-zertifizierten Einrichtungen hergestellt. Diese MOSFETs weisen eine niedrige Eingangskapazität (C_iss) von 2615 Picofarad (pF) auf, um schnelle Schaltgeschwindigkeiten zu unterstützen, und einen niedrigen Durchlasswiderstand (R_DS(on)) von 11 Milliohm (mΩ) für einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, wodurch sie sich für Hochfrequenz- und Hocheffizienzanwendungen eignen. Die Bausteine haben eine 10-Volt-Gate-Ansteuerung, sind für den Betrieb bis +175 °C ausgelegt und werden in einem 5 mm x 6 mm großen PowerDI5060-8-Gehäuse mit einem großen Drain-Pad für hohe Wärmeableitung geliefert (Abbildung 4). Die thermischen Spezifikationen umfassen:

• Ein stabiler R_θJA von 53 °C/W bei Montage des Bauelements auf einer FR-4-Leiterplatte mit 2-Unzen-Kupfer und mit thermischen Durchkontaktierungen zu einer unteren Schicht, die eine quadratische Kupferplatte von 1 Zoll umfasst
• R_θJC von 4 °C/W
• Temperaturen bis +175 °C

Abbildung 4: Der DMTH6010LPD-13 und der DMTH6010LPDQ-13 nutzen das große Drain-Pad ihres PowerDI5060-8-Gehäuses, um eine hohe Wärmeableitung zu unterstützen. (Bildquelle: Diodes, Inc.)

Zweikanaliger MOSFET-Gatetreiber

Zur Ansteuerung von zweikanaligen Leistungs-MOSFETs können Entwickler einen von zwei Halbbrücken-Gatetreibern verwenden: den DGD05473FN-7 für industrielle Anwendungen oder den AEC-Q100-qualifizierten DGD05473FNQ-7 für Automotive-Systeme. Diese Treiber werden ebenfalls durch einen PPAP unterstützt und in IATF-16949-zertifizierten Einrichtungen hergestellt. Die Eingänge sind mit TTL- und CMOS-Pegeln (bis zu 3,3 Volt) kompatibel, um den Anschluss an eine MCU zu vereinfachen, und der potentialfreie High-Side-Treiber ist für 50 Volt ausgelegt. Zu den Schutzfunktionen gehören eine UVLO- und eine Querschlussverhinderungslogik (siehe erneut Abbildung 2). Die integrierte Bootstrap-Diode hilft, den Platz auf der Leiterplatte zu minimieren. Weitere Merkmale sind:

• 20 Nanosekunden (ns) Laufzeitverzögerung
• Maximale Verzögerungsanpassung von 5 ns
• Maximaler Ansteuerstrom 1,5 A (Quelle) und 2,5 A (Senke)
• Standby-Strom unter 1 Mikroampere (µA)
• Betriebstemperaturbereich bei AEC-Q100 Klasse 1 von -40 °C bis +125 °C

Thermische und EMI-Überlegungen

Bei der Verwendung der oben beschriebenen MOSFETs und Treiber-ICs sollte ein kompaktes Design mit möglichst großen Kupferflächen für die MOSFETs kombiniert werden, um die bestmögliche Wärmeableitung zu gewährleisten. Durch die kompakte Bauweise werden Schleifenbereiche minimiert, während kurze Leitungslängen die EMI minimieren und Bedenken hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) verringern.

Zur weiteren Verbesserung der EMV und der thermischen Leistung sollten eine solide interne Massefläche und eine zusätzliche Stromversorgungsebene auf der Unterseite in die Leiterplatte integriert werden. Darüber hinaus sollte für Signalleitungen eine eigene interne Schicht verwendet werden.

Das MOSFET-Gehäuse hat einen großen Einfluss auf die thermische Leistung. Bei der Betrachtung von drei Optionen, dem PowerDI5060-8, dem 3 mm x 3 mm großen PowerDI3333-8 und dem 2 mm x 2 mm großen DFN2020-6, zeigt sich, dass der PowerDI5060 mit dem größten Drain-Pad die höchste Verlustleistung von 2,12 Watt aufweist (Abbildung 5).

Abbildung 5: Der PowerDI5060 (blaue Linie) weist im Vergleich zu den beiden kleineren Gehäusen eine höhere Verlustleistung auf. (Bildquelle: Diodes, Inc.)

Fazit

Zweikanalige Leistungs-MOSFETs in thermisch effizienten Gehäusen können mit passenden ICs für die Gate-Ansteuerung kombiniert werden, um leistungsstarke und kompakte BLDC-Motorantriebe für Automobil- und Industrieanwendungen herzustellen. Diese Lösungen können die AEC-, PPAP- und IATF-Normen für Zuverlässigkeit, Dokumentation und Qualität erfüllen. Mit Hilfe von bewährten Methoden für das Leiterplatten-Layout können die Bausteine den Entwicklern helfen, die beste thermische und EMV-Leistung für ihre BLDC-Motorantriebsimplementierung zu erzielen.

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