提升汽車應(yīng)用中無刷直流(BLDC)電機(jī)控制器的散熱性能

?無刷直流 (BLDC) 電機(jī)的特性為高效率，能以高速運(yùn)轉(zhuǎn)并且易于控制，因此逐漸普遍用于汽車應(yīng)用中，包括防抱死制動系統(tǒng) (ABS)、動力轉(zhuǎn)向，以及電動車和混合動力車。然而在汽車環(huán)境中空間受限的情況下，散熱不良導(dǎo)致的高溫可能會對附近元器件的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。在 BLDC 電機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用中，車用子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者不斷尋找并思考如何降低耗散功率和發(fā)熱量，并且精心設(shè)計(jì)控制器電路板以實(shí)現(xiàn)更高效率。本文快速回顧 BLDC 電機(jī)的構(gòu)造和工作方式，討論控制速度和位置所采用的不同換向(Commutation)方式，然后展示兩種控制電路板上的散熱測量結(jié)果，這兩種控制電路板旨在解決汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的發(fā)熱問題。
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BLDC 電機(jī)類型

BLDC 電機(jī)有兩個(gè)主要組成部分：轉(zhuǎn)子(Rotor)和定子(Stator)。不同于有刷直流電機(jī)的線圈固定在轉(zhuǎn)子上，BLDC 電機(jī)的線圈繞組固定在定子上。電線會纏繞在疊壓鋼片上，形成定子線圈。轉(zhuǎn)子包括能夠交換磁極的永久磁鐵，沿著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。BLDC 電機(jī)中最常見的兩種類型為單相和三相電機(jī) (定子繞組數(shù)量決定相數(shù))。然而單相電機(jī)僅能沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)；其簡單的構(gòu)造包含一組繞制在四個(gè)定子架上的定子線圈，當(dāng)線圈通電時(shí)產(chǎn)生兩對電磁極。三相電機(jī)的定子中有三個(gè)星形連接線圈，因此可以順時(shí)鐘和逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)。相較于單相電機(jī)通常體積更大且成本更高，但是更易于控制且更順暢工作。BLDC 電機(jī)中的磁極配對是指定子的電磁極或轉(zhuǎn)子的磁極。
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圖 1單相 (左) 和三相 (右) BLDC 電機(jī)的構(gòu)造

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最簡單的三相 BLDC 電機(jī)在定子上有三個(gè)磁極配對，轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)以上磁極 (取決于何種應(yīng)用)。磁極數(shù)量會影響電機(jī)性能；磁極越多導(dǎo)致單圈的切換周期越長，因?yàn)檗D(zhuǎn)子和定子的磁場之間夾 90°角時(shí)能夠產(chǎn)生最大扭矩。因此，增加磁極數(shù)量能夠提高扭力，但是會降低電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。由于 BLDC 電機(jī)在轉(zhuǎn)子和定子之間沒有接觸 (有刷電機(jī)需要接觸)，因此不會因磨損產(chǎn)生損耗，這代表更長的維護(hù)周期，使用壽命也更長。由于是在定子上散熱 (而非轉(zhuǎn)子上)，因此散熱表現(xiàn)也更好。這些優(yōu)點(diǎn)使 BLDC 電機(jī)更可靠；這也正是汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中使用電機(jī)的最關(guān)鍵要素。
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BLDC 電機(jī)換向

BLDC 電機(jī)中的線圈處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此不需要機(jī)械換向 (就像有刷電機(jī)所采用的)。無刷電機(jī)通過微控制器和六個(gè)半導(dǎo)體晶體管開關(guān)進(jìn)行換向 (圖 2)。
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圖 2三相 BLDC 橋式配置

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電子換向需要按照一系列步驟實(shí)現(xiàn)，電流從外部電機(jī)驅(qū)動器，按順序輸送到每個(gè)相位的線圈上。轉(zhuǎn)子上的磁鐵和通電的定子線圈間的磁相互作用可產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)。三相電機(jī)中，電流通過共同節(jié)點(diǎn)進(jìn)入一個(gè)線圈，然后再進(jìn)入另一個(gè)線圈，剩下第三個(gè)線圈處于閑置狀態(tài)。如此一來，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極與定子上的電磁極相反時(shí)就會斷電。然后下一個(gè)相位通電，讓它繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。為了使線圈在正確的時(shí)間通電，關(guān)鍵在于感測轉(zhuǎn)子與各個(gè)定子之間的相對位置。這稱為位置反饋，可以使用電流感測電阻實(shí)現(xiàn)，而更常見的方式是使用磁性霍爾效應(yīng)傳感器；在三個(gè)定子上的適當(dāng)位置放置傳感器 (電機(jī)內(nèi)部)，每個(gè)相隔 120°。當(dāng)磁極就位時(shí)，這些傳感器產(chǎn)生數(shù)字信號 (「0」或「1」)，其中包含對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)子位置的多個(gè)二進(jìn)制組合 (圖 3)。向微控制器提供二進(jìn)制代碼，就能以正確的順序切換六個(gè) MOSFET。
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圖 3使用霍爾效應(yīng)傳感器對 BLDC 換向所產(chǎn)生的二進(jìn)制模式。

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MOSFET 通常用作為換向開關(guān)。除了柵極驅(qū)動器以外，MOSFET 也是電機(jī)控制器電路板上的發(fā)熱來源并散熱在電路板上。重要的是，使用散熱性能良好的器件，并且通過測量工作期間電路板的溫度來了解產(chǎn)生的熱量。向車用子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供這項(xiàng)信息，可以協(xié)助他們設(shè)計(jì)合適的設(shè)備外殼。
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測量電機(jī)控制器的散熱性能

為了解決散熱問題，Diodes 公司開發(fā)出兩款BLDC 電機(jī)控制器開發(fā)印刷電路板 (PCB)，包含六個(gè) DMTH6010LPDQ 、雙 MOSFET (符合 AEC-101 標(biāo)準(zhǔn)) 和 DGD05473FNQ 柵極驅(qū)動器 IC (符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn))。DDB094R2 開發(fā)板有一個(gè)用于安全監(jiān)控的電流感測電阻，以及用于換向的三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器。為了評估電路板的溫度變化，使用熱像儀測量開關(guān) MOSFET 的表面溫度，以及室溫 (25°C) 下 PCB 的散熱情況。當(dāng)DDB094R2 連接到一個(gè) 77W (輸入功率) 的 BLDC 電機(jī) (24V、3.2A)時(shí)， MOSFET 表面溫度為 75°C ，這相較于允許達(dá)到的150°C最高工作溫度還有相當(dāng)大的距離 (圖 4)。
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圖 4DDB094R2 電機(jī)控制器開發(fā)板驅(qū)動 77W BLDC 時(shí)的熱成像

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DDB099 開發(fā)板包括三個(gè)電流感測電阻 (每相一個(gè)) 和三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器，兩種換向方式都可以實(shí)現(xiàn)。由于表面積更大，該電路板的散熱性能預(yù)計(jì)會更優(yōu)異。在上述相同條件下進(jìn)行測試，MOSFET 表面測得的溫度僅為 33°C，和允許達(dá)到的 175°C 最高溫度相差甚遠(yuǎn)。將輸入功率提升至 120W (24V、5A)，MOSFET 的表面溫度也僅升高至 40°C (圖 5)。
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圖 5DDB099 電機(jī)控制器示范電路板驅(qū)動 77W BLDC 時(shí)的熱影像

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通過使用以下元器件，DDB099 能夠根據(jù)不同電壓產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)揮出最佳性能：
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結(jié)論


BLDC 電機(jī)因其可靠性和易控性，逐漸普及于汽車應(yīng)用。無刷電機(jī)效率高于有刷電機(jī)，而BLDC 電機(jī)控制器電路還可以進(jìn)一步提高效率，進(jìn)而降低發(fā)熱損耗。本文介紹了 BLDC 電機(jī)控制器的散熱性能，這些控制器使用了Diodes 公司生產(chǎn)的各種開關(guān)和符合汽車規(guī)格的 MOSFET 和柵極驅(qū)動器 IC，是汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的極佳選擇。
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