如何在挑戰(zhàn)性環(huán)境中優(yōu)化 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的熱性能

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)越來(lái)越多地用于熱條件苛刻的環(huán)境中，如電動(dòng)汽車(chē) (EV) 等汽車(chē)環(huán)境以及如機(jī)器人、制造設(shè)備等工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，有效的熱管理是確保 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可靠運(yùn)行的關(guān)鍵考慮因素。為此，他們需要特別注意功率 MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng) IC 的開(kāi)關(guān)頻率、效率、工作溫度范圍和外形尺寸，同時(shí)還需要確保這些器件符合 AEC-Q101、生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序 (PPAP) 和國(guó)際汽車(chē)工作組 (IATF) 16949:2016（如適用） 等規(guī)范。

此外，柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)晶體管-晶體管邏輯門(mén) (TTL) 和 CMOS 電壓水平兼容，以簡(jiǎn)化與微控制器 (MCU) 的接口。此外，柵極驅(qū)動(dòng)器還需能夠保護(hù) MOSFET 不受各種故障的影響，并需要有匹配良好的傳播延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的高頻運(yùn)行。

為此，設(shè)計(jì)人者可以將雙 N 溝道增強(qiáng)模式 MOSFET 與高頻柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 配對(duì)，以構(gòu)建緊湊、高效的解決方案。

本文首先介紹設(shè)計(jì) BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要考慮熱管理因素，然后簡(jiǎn)要總結(jié) AEC-Q101、PPAP 和 IATF 16949:2016 標(biāo)準(zhǔn)的要求。接下來(lái)，以 [Diodes, Inc]的高性能 [雙 N 溝道增強(qiáng)模式 MOSFET]和相匹配的[柵極驅(qū)動(dòng)器 IC]為例進(jìn)行介紹，這些產(chǎn)品適用于汽車(chē)和工業(yè) BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文最后討論 BLDC 驅(qū)動(dòng)電路的 PC 板布局注意事項(xiàng)，包括盡可能減少電磁干擾 (EMI) 和優(yōu)化熱性能。

BLDC 和換向

BLDC 和有刷電機(jī)的關(guān)鍵區(qū)別在于，BLDC 需要在 MCU 控制下實(shí)現(xiàn)換向。這就要求有能力檢測(cè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置。位置檢測(cè)可通過(guò)電流檢測(cè)電阻或霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)完成。將霍爾效應(yīng)傳感器以 120° 間隔安裝在電機(jī)內(nèi)部，是常見(jiàn)、準(zhǔn)確且有效的位置檢測(cè)方法。

這種方法包括采用六個(gè)功率 MOSFET 組成的橋式配置來(lái)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)三相 BLDC 電機(jī)?；魻栃?yīng)傳感器產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，MCU 利用此信號(hào)來(lái)確定電機(jī)位置，然后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，按照所需的順序和速度開(kāi)關(guān) MOSFET，以控制電機(jī)運(yùn)行（圖 1）?？煽匦允鞘褂?BLDC 電機(jī)的一個(gè)主要好處。

圖 1：在三相 BLDC 電機(jī)中，采用三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器提供控制六個(gè)功率 MOSFET 開(kāi)關(guān)所需的位置信息。（圖片來(lái)源：Diodes, Inc.）

處理傳播延遲問(wèn)題

MCU 產(chǎn)生的控制信號(hào)太弱，不能直接用于驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET，所以使用柵極驅(qū)動(dòng) IC 來(lái)放大 MCU 的信號(hào)。然而，柵極驅(qū)動(dòng) IC 的引入也帶來(lái)了一定程度的控制信號(hào)傳播延遲。此外，半橋柵極驅(qū)動(dòng)器中的兩個(gè)通道的響應(yīng)時(shí)間略有不同，導(dǎo)致傳播延遲出現(xiàn)偏移。在最嚴(yán)重的情況下，高壓側(cè)開(kāi)關(guān)可以在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)完全斷開(kāi)之前接通，從而導(dǎo)致兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。如果發(fā)生這種情況，將會(huì)出現(xiàn)短路并導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或電機(jī)損壞。

我們有幾種方法來(lái)已應(yīng)對(duì)傳播延遲問(wèn)題。其中一種方法涉及到使用快速 MCU，其反應(yīng)速度足以補(bǔ)償傳播延遲。這種方法有兩個(gè)潛在問(wèn)題，需要更昂貴的 MCU 并且 MCU 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)引入死區(qū)時(shí)間帶，以確保這兩個(gè)開(kāi)關(guān)始終不會(huì)同時(shí)閉合。這種死區(qū)時(shí)間延遲了整個(gè)切換過(guò)程。

在大多數(shù)應(yīng)用中，首選替代方案是使用具有短傳播延遲的柵極驅(qū)動(dòng)器。高性能柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 還包括防跨導(dǎo)邏輯，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性（圖 2）。

圖 2：高性能柵極驅(qū)動(dòng) IC 除了具有最小的傳播延遲外，還包括防跨導(dǎo)邏輯（左中）。（圖片來(lái)源：Diodes, Inc.）

保持冷卻

安全和精確地驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 是 BLDC 電機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，保持功率 MOSFET 冷卻同等重要。與功率半導(dǎo)體的熱管理有關(guān)的兩個(gè)重要規(guī)格是結(jié)對(duì)外殼的熱阻 (Rθ 杰成 ) 和結(jié)對(duì)環(huán)境的熱阻 (Rθ 和 )。這兩個(gè)參數(shù)以 ℃/W 為單位。Rθ杰成是特定的器件和封裝的結(jié)對(duì)外殼熱阻。這是一個(gè)固定量，取決于諸如芯片尺寸、芯片連接材料和封裝熱特性等多種因素。

右θJA是一個(gè)更廣泛的概念：包括 Rθ杰成加上焊點(diǎn)和散熱器的溫度系數(shù)。對(duì)于功率 MOSFET，RθJA可能比 RθJC大 10 倍。保持 MOSFET 的封裝（外殼）溫度 ( TC ) 受控是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素（圖 3）。這意味著在為功率 MOSFET 開(kāi)發(fā)熱管理解決方案時(shí)，電路板布局和散熱器等因素非常重要。幾乎所有在 MOSFET 中產(chǎn)生的熱量都將通過(guò) PC 板上的導(dǎo)熱銅墊/散熱器發(fā)散。

圖 3：RθJA是衡量熱耗散的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，可能比 RθJC大 10 倍。（圖片來(lái)源：Diodes, Inc.）

汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)

為了用于汽車(chē)應(yīng)用，這些器件還必須滿足一個(gè)或多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具體包括 AEC-Q100、AEC-Q101、PPAP 和 IATF 16949:2016 標(biāo)準(zhǔn)。AEC-Q100 和 AEC-Q101 是用于汽車(chē)應(yīng)用中的半導(dǎo)體器件的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。PAPP 是說(shuō)明文檔和跟蹤標(biāo)準(zhǔn)，而 IATF 16949:2016 是基于 ISO 9001 的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。更具體地說(shuō)：

AEC-Q100 是一種基于故障機(jī)理的壓力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，適用于封裝集成電路，具體包括四個(gè)環(huán)境工作溫度范圍或等級(jí)：

• 0 級(jí)：-40℃ 至 +150℃
• 1 級(jí)：-40℃ 至 +125℃
• 2 級(jí)：-40℃ 至 +105℃
• 3 級(jí)：-40℃ 至 +85℃

AEC-Q101 規(guī)定了如功率 MOSFET 等分立式器件的最低應(yīng)力測(cè)試驅(qū)動(dòng)要求和條件，并規(guī)定工作溫度為 -40°C 至 +125°C。

PPAP 是一個(gè)針對(duì)新部件或修改部件的 18 步批準(zhǔn)程序。該批準(zhǔn)程序旨在確保組件始終滿足各項(xiàng)指定要求。PPAP 有五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的提交等級(jí)，具體要求由供應(yīng)商和客戶協(xié)商確定。

IATF 16949:2016 是一個(gè)基于 ISO 9001 的汽車(chē)質(zhì)量體系，以及由汽車(chē)行業(yè)客戶提出的特定要求。該標(biāo)準(zhǔn)要求由第 3^ ^方審核機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)證。

雙功率 MOSFET

為了實(shí)現(xiàn)高效的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)者可以使用諸如適合工業(yè)應(yīng)用的 Diodes Inc. [DMTH6010LPD-13]等雙 N 溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以及符合 AEC-Q101 的汽車(chē)應(yīng)用的 [DMTH6010LPDQ-13]器件。這兩個(gè)部件都獲得了 PPAP 支持，并由獲得 IATF 16949 認(rèn)證的工廠制造。這類 MOSFET 器件具有 2615 pF 低輸入電容 (C 國(guó)際空間站 )，可支持快速開(kāi)關(guān)，并具有 11 mΩ 低導(dǎo)通電阻 (R DS（開(kāi)） )，以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，使其適合高頻、高效應(yīng)用。這類器件具有 10 V 柵極驅(qū)動(dòng)，額定工作溫度為 +175°C，采用 5 mm x 6 mm PowerDI5060-8 封裝，具有較大的漏極焊盤(pán)以實(shí)現(xiàn)高熱耗散（圖 4）。具體熱規(guī)格包括：

• 穩(wěn)態(tài) RθJA為 53°C/W，安裝在含有 2 盎司銅的 FR-4 電路板上，并有熱過(guò)孔通向由 1 英寸方形銅板構(gòu)成的底層。
• 右θJC為 4°C/W
• 額定溫度為 +175°C

圖 4：DMTH6010LPD-13 和 DMTH6010LPDQ-13 通過(guò)其 PowerDI5060-8 封裝的大型漏極焊盤(pán)實(shí)現(xiàn)高熱耗散。（圖片來(lái)源：Diodes, Inc.）

雙 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器

為了驅(qū)動(dòng)雙功率 MOSFET，設(shè)計(jì)者可以使用以下任一種半橋柵極驅(qū)動(dòng)器：適合工業(yè)應(yīng)用的 [DGD05473FN-7] 或適合汽車(chē)系統(tǒng)的 AEC-Q100 認(rèn)證 [DGD05473FNQ-7]。這兩款器件獲得了 PPAP 支持，并由獲得 IATF 16949 認(rèn)證的工廠制造。輸入與 TTL 和 CMOS 電平兼容（低至 3.3 V），以簡(jiǎn)化與 MCU 的連接，浮動(dòng)高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器的額定電壓為 50 V。保護(hù)功能包括 UVLO 和防跨導(dǎo)邏輯（見(jiàn)圖 2）。集成陰極負(fù)載二極管有助于最大限度地減少 PC 板空間。其他特性包括：

• 20 ns 傳播延遲
• 5 ns 最大延遲匹配度
• 1.5 A 拉電流和 2.5 灌電流的最大驅(qū)動(dòng)電流
• 低于 1 μA 的待機(jī)電流
• AEC-Q100 1 級(jí)工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C

考慮了散熱和 EMI

為了使用上文詳述的 MOSFET 和驅(qū)動(dòng) IC 的電路板布局，最佳做法是將緊湊型設(shè)計(jì)與 MOSFET 的最大實(shí)際銅面積相結(jié)合，以確保最佳散熱。緊湊型設(shè)計(jì)會(huì)最大限度地減少回路面積，而短布線長(zhǎng)度會(huì)最大限度地減小電磁干擾，并減少電磁兼容性 (EMC) 問(wèn)題。

為了進(jìn)一步提高 EMC 和散熱性能，PC 板應(yīng)包括一個(gè)堅(jiān)實(shí)的內(nèi)部接地平面和一個(gè)額外的底部電源平面。此外，還應(yīng)使用單獨(dú)的內(nèi)層來(lái)處理信號(hào)線。

MOSFET 的封裝對(duì)熱性能有很大影響。觀察 PowerDI5060-8、3 mm x 3 mm PowerDI3333-8 和 2 mm x 2 mm DFN2020-6 這三種封裝選擇，發(fā)現(xiàn)具有最大漏極焊盤(pán)的 PowerDI5060 具有最高的功率耗散，可達(dá) 2.12 W（圖 5）。

圖 5：與兩個(gè)較小的封裝相比，PowerDI5060（藍(lán)線）的耗散功率更大。（圖片來(lái)源：Diodes, Inc.）

結(jié)束語(yǔ)

采用高效散熱型封裝的雙功率 MOSFET 可與相匹配的柵極驅(qū)動(dòng) IC 組合使用，為汽車(chē)、工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)緊湊的高性能 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這些解決方案可以分別滿足 AEC、PPAP 和 IATF 的可靠性、說(shuō)明文檔和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。利用最佳的 PC 板布局，這些器件有助于設(shè)計(jì)者在實(shí)施 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)達(dá)到最佳的熱性能和 EMC 性能。