如今，電池供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案通?？梢允褂梅浅５偷墓ぷ麟妷禾峁?shù)百瓦的功率。在這類應(yīng)用中，若要確保整體系統(tǒng)的能效和可靠性，就必定要正確管理流經(jīng)電子設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流。事實(shí)上，電機(jī)電流可能超過(guò)數(shù)十安培，導(dǎo)致逆變器內(nèi)部的功率耗散增加。逆變器元器件的功率越大溫度就越高，如果超過(guò)允許的最大額定值，性能就會(huì)下降甚至突然發(fā)生中斷。熱性能的優(yōu)化，結(jié)合緊湊的外形尺寸，是逆變器設(shè)計(jì)階段的一個(gè)關(guān)鍵方面；如果處理不當(dāng)，可能會(huì)產(chǎn)生隱患。這個(gè)問(wèn)題的解決方法之一是生產(chǎn)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證持續(xù)完善的原型。但是，電氣評(píng)估和熱學(xué)評(píng)估過(guò)去是完全分開的，電熱耦合效應(yīng)在設(shè)計(jì)期間從未得到解決。這往往導(dǎo)致需要多次迭代和漫長(zhǎng)的上市時(shí)間。當(dāng)前有一種更有效的替代方法，通過(guò)利用現(xiàn)代仿真技術(shù)來(lái)優(yōu)化電機(jī)控制系統(tǒng)的電熱性能。Cadence? Celsius? Thermal Solver 是一款用于系統(tǒng)分析的業(yè)界領(lǐng)先電熱協(xié)同仿真軟件，只需短短幾分鐘就能從電氣和熱學(xué)的角度對(duì)設(shè)計(jì)性能進(jìn)行全面和準(zhǔn)確的評(píng)估。領(lǐng)先的工業(yè)電機(jī)控制集成電路制造商 STMicroelectronics 使用 Celsius? 對(duì)其 EVALSTDRIVE101 評(píng)估板進(jìn)行了微調(diào)。最終獲得一個(gè)適用于三相無(wú)刷電機(jī)的逆變器，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 15 Arms 的電流，供最終應(yīng)用設(shè)計(jì)人員參考使用。在本文中，我們將借此機(jī)會(huì)介紹 STMicroelectronics 所采用的工作流程，其能將 EVALSTDRIVE101 投入量產(chǎn)，同時(shí)減少熱優(yōu)化所需的工作量。

EVALSTDRIVE101

EVALSTDRIVE101 以 STDRIVE101 為基礎(chǔ)，后者是一款 75 V 三重半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)四通道扁平無(wú)引腳 (QFN) 4x4 mm 封裝提供保護(hù)，非常適合電池供電型解決方案，其六個(gè) STL110N10F7 功率 MOSFET 排列成三個(gè)半橋。Celsius? 極大地簡(jiǎn)化了 EVALSTDRIVE101 的優(yōu)化過(guò)程，在短時(shí)間內(nèi)便實(shí)現(xiàn)了緊湊且可靠的設(shè)計(jì)。正如下文所討論，仿真結(jié)果被用來(lái)對(duì)元器件的放置進(jìn)行迭代調(diào)整，完善平面和印制線的形狀，修改層厚度，增加或刪除過(guò)孔，從而獲得可生產(chǎn)版本的逆變器。經(jīng)優(yōu)化的 EVALSTDRIVE101 布局由四個(gè)寬度為 11.4 cm，高度為 9 cm 的 2 oz 銅層組成，使用 36 V 電池電壓可向負(fù)載提供高達(dá) 15 Arms 的電流。從熱學(xué)角度來(lái)看，EVALSTDRIVE101 最關(guān)鍵的部分是功率級(jí)區(qū)域，主要包括功率 MOSFET、分流電阻器、陶瓷旁路電容器、大容量電解電容器和連接器。這部分的布局被大幅縮減，只占總體板尺寸的一半，即 50 cm2。在此方面，我們特別留意了 MOSFET 的放置和布線，因?yàn)樵谀孀兤鬟\(yùn)行期間，這些元器件造成了大部分的功率損耗。頂層所有 MOSFET 漏極端子的銅面積都被最大化，并在可能的情況下復(fù)制到其他層并放大，以改善熱量向板底面的傳遞。這樣一來(lái)，電路板的頂面和底面都能通過(guò)自然對(duì)流和輻射有效地加快熱量的耗散。不同層之間的電氣和熱連接是由直徑 0.5 mm 的過(guò)孔提供，這有利于空氣流動(dòng)和改善冷卻。在 MOSFET 裸焊盤的正下方有一個(gè)過(guò)孔網(wǎng)格，但其直徑被縮小到 0.3 mm，以防止焊膏在孔中發(fā)生回流。

估算功率損耗

圖 1：仿真的頂層電流密度。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

圖 2：仿真的頂層穩(wěn)態(tài)溫度。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

EVALSTDRIVE101 的熱優(yōu)化從估算逆變器在運(yùn)行期間的功率耗散開始，這是熱仿真器的輸入之一。逆變器的損耗可分為兩部分：由電路板印制線內(nèi)的焦耳效應(yīng)引起的損耗，以及由電子元器件引起的損耗。雖然 Celsius? 可以直接通過(guò)導(dǎo)入布局?jǐn)?shù)據(jù)，精確地確定電流密度和電路板損耗，但因電子元器件而造成的損耗仍須通過(guò)計(jì)算才能獲得。盡管電路仿真器可以提供非常精確的結(jié)果，但我們決定使用簡(jiǎn)化的公式來(lái)獲得合理但存在一定近似的功率損耗估算值。事實(shí)上，制造商可能無(wú)法提供元器件的電氣模型，而且由于缺乏建模數(shù)據(jù)，可能很難或無(wú)法從頭開始實(shí)現(xiàn)模型，而提供的公式卻只需要規(guī)格書中的基本信息。如果不考慮次級(jí)現(xiàn)象，逆變器的功率耗散以分流電阻器 Psh 和 MOSFET 的內(nèi)部損耗為主。這些損耗分別表示為傳導(dǎo)損耗 Pcond、開關(guān)損耗 Psw 和二極管壓降損耗 Pdt：

每個(gè) MOSFET 估算的功率耗散為 1.303 W，每個(gè)分流電阻器為 0.281 W。

熱仿真

Celsius? 允許設(shè)計(jì)人員進(jìn)行仿真，包括對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電氣分析，顯示印制線和過(guò)孔中的電流密度以及電壓降。這些仿真要求設(shè)計(jì)人員使用系統(tǒng)的電路模型來(lái)定義感興趣的電流回路。EVALSTDRIVE101 的每個(gè)半橋采用的模型如圖 3 所示。它包括兩個(gè)放置在輸出與電源連接器之間的恒流發(fā)生器，以及三個(gè)將 MOSFET 和分流電阻器旁通的短接電路。這兩個(gè)電流回路有效地?cái)M合了整個(gè)電源軌和地平面的實(shí)際平均電流，而輸出路徑電流則略微偏大，這是評(píng)估設(shè)計(jì)穩(wěn)健性的一個(gè)便捷工作條件。圖 4 和圖 1 分別顯示了電流為 15 Arms 的 EVALSTDRIVE101 的電壓降和電流密度。相對(duì)于接地基準(zhǔn)的電壓降突顯了經(jīng)過(guò)特別優(yōu)化的布局，該布局沒(méi)有瓶頸，并且在 U、V 和 W 分別擁有良好平衡的 28 mV、25 mV 和 23 mV 輸出。輸出 U 顯示了最高電壓降，而輸出 W 由于距離電源連接器的路徑長(zhǎng)度較短，是三者中最低的一個(gè)。電流在各個(gè)路徑上分布良好，平均密度低于針對(duì)電源印制線尺寸推薦的值 15 A/mm2。在靠近 MOSFET、分流電阻器和連接器的位置，有一些突出顯示的紅色區(qū)域。這些區(qū)域代表由于元器件的端子小于底層的電源印制線而產(chǎn)生的更高電流密度。但是，最大電流密度仍舊遠(yuǎn)低于在現(xiàn)實(shí)中可能造成可靠性問(wèn)題的 50 A/mm2 限值。

圖 3：電流回路建模。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

設(shè)計(jì)人員可利用仿真器來(lái)設(shè)置和運(yùn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)仿真。前者為各層和元器件提供單一的二維溫度圖，后者則以更長(zhǎng)的仿真時(shí)間為代價(jià)，提供每個(gè)仿真時(shí)刻的即時(shí)升溫曲線圖。穩(wěn)態(tài)仿真所需的設(shè)置可以應(yīng)用于瞬態(tài)仿真，但還需要定義元器件的功率耗散函數(shù)。瞬態(tài)仿真適合針對(duì)具有多個(gè)非同時(shí)激活的電源的系統(tǒng)定義不同的工作狀態(tài)，以及評(píng)估達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度所需的時(shí)間。

圖 4：仿真的內(nèi)層電壓降。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

EVALSTDRIVE101 仿真是在 28℃ 的環(huán)境溫度下進(jìn)行的，以傳熱系數(shù)為邊界條件，并為器件使用雙電阻器熱模型。這些模型被用來(lái)取代 Delphi 等詳細(xì)熱模型，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯釉谠骷囊?guī)格書中獲取，但也略微犧牲了仿真精度。圖 4 提供了 EVALSTDRIVE101 的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果，圖 5 提供了瞬態(tài)仿真結(jié)果。瞬態(tài)仿真中使用了階躍功率函數(shù)，在零時(shí)間點(diǎn)啟用所有 MOSEFT 和分流電阻器。仿真結(jié)果表明，U 型半橋區(qū)域是電路板上最熱的地方。Q1 MOSFET（高壓側(cè)）的溫度為 94.06 °C，其次是 Q4 MOSFET（低壓側(cè)）、R24 和 R23 分流電阻器，溫度分別為 93.99 °C、85.34 °C 和 85.58 °C。

圖 5：仿真的 U 型半橋元器件升溫。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

熱特征化設(shè)置

在生產(chǎn)之后對(duì) EVALSTDRIVE101 的熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性特征化。為便于實(shí)現(xiàn)，我們沒(méi)有使用連接到制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的電機(jī)，而是考慮了一個(gè)如圖 6 所示的等效測(cè)試平臺(tái)。EVALSTDRIVE101 與一塊控制板相連，以產(chǎn)生必要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并被放置在一個(gè)有機(jī)玻璃箱內(nèi)，在獲得對(duì)流形式的系統(tǒng)冷卻的同時(shí)，避免了意外的氣流。玻璃箱上方放置了一臺(tái)熱成像相機(jī)（Nippon Avionics 生產(chǎn)的 TVS-200 型），它通過(guò)箱蓋中的一個(gè)孔對(duì)電路板進(jìn)行取景。一個(gè)三相負(fù)載被連接到電路板的輸出端，系統(tǒng)的供電電壓為 36 V。該負(fù)載由三個(gè)按星形配置連接的線圈組成，用于模擬電機(jī)。每個(gè)線圈的飽和電流為 30 A，電感為 300 μH，寄生電阻僅為 25 mΩ。低寄生電阻大大減少了線圈內(nèi)部的焦耳熱效應(yīng)，有利于在電路板與負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)無(wú)損電力傳輸。通過(guò)控制板施加適當(dāng)?shù)恼译妷?，在線圈內(nèi)產(chǎn)生了三個(gè) 15 Arms 的正弦電流。利用這種方法，功率級(jí)在非常接近最終的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的工作條件下工作，而且還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，不需要控制回路。

圖 6：熱特征化設(shè)置。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

測(cè)量功率損耗

功率級(jí)上每個(gè)器件的功率耗散數(shù)據(jù)的精度，當(dāng)然是影響仿真結(jié)果質(zhì)量的因素之一。這個(gè)數(shù)據(jù)是對(duì) MOSFET 和分流電阻器使用簡(jiǎn)化公式獲得的，因此引入了近似。在電路板上進(jìn)行測(cè)量，以評(píng)估量化耗散功率的誤差。電路板功率損耗 Ploss 的測(cè)量方法是，輸入功率 Pin 與在三個(gè)輸出端提供給負(fù)載的功率 PUout、PVout 和 PWout 的差值。測(cè)量使用了示波器（Teledyne LeCroy 的 HDO6104-MS 型號(hào)），并對(duì)波形應(yīng)用了適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)函數(shù)：首先，計(jì)算電壓和電流的逐點(diǎn)乘積，然后對(duì)整數(shù)個(gè)正弦周期的功率求平均值。下表顯示了在環(huán)境溫度下，以及當(dāng)功率級(jí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時(shí)的熱狀態(tài)下得到的測(cè)量結(jié)果。此外還提供了之前通過(guò)公式估算的電路板的總體耗散功率值。

結(jié)果顯示，測(cè)量值與估算值之間高度吻合，與引入的近似是一致的。該公式相對(duì)室溫下的測(cè)量結(jié)果高估了 1.5%，與熱狀態(tài)下的數(shù)據(jù)相比，大約低估了 3.9%。這一結(jié)果符合與 MOSFET 導(dǎo)通電阻和分流電阻器相關(guān)的變異性，因?yàn)橛?jì)算中使用的是標(biāo)稱值。不出所料，由于線圈和 MOSFET 的電阻隨溫度的升高而增大，所有高溫下的功率值都要比室溫下的高。該數(shù)據(jù)還顯示了在三個(gè)輸出端測(cè)量的功率之間的差異。這種影響是由于三相負(fù)載的不平衡造成的，因?yàn)楦骶€圈的 L 值和 R 值略有不同。但是，這種影響起到的作用微乎其微，因?yàn)橛^察到的偏差低于測(cè)量值與估計(jì)值之間的偏差。

溫度結(jié)果

負(fù)載中正弦電流的產(chǎn)生和熱成像相機(jī)對(duì)熱圖像的采集是同時(shí)啟動(dòng)的。熱成像相機(jī)先前被配置為每 15 秒采集一次熱圖像，并在每次采集中包括元器件 Q1、Q4 和 R23 的三個(gè)溫度標(biāo)記。該系統(tǒng)持續(xù)保持活動(dòng)狀態(tài)，直至大約 25 分鐘后達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件。測(cè)試結(jié)束時(shí)，箱內(nèi)檢測(cè)到的環(huán)境溫度約為 28℃。圖 7 顯示了從溫度標(biāo)記推導(dǎo)出的電路板的加熱瞬態(tài)，圖 8 顯示了電路板上的最終溫度。測(cè)量結(jié)果顯示，Q1 MOSFET 是整個(gè)電路板上最熱的元器件，溫度為 93.8°C，而 Q4 MOSFET 和 R23 電阻器分別達(dá)到了 91.7°C 和 82.6°C。如前所述，Celsius? 仿真得到的 Q1 MOSFET 溫度為 94.06°C，Q4 MOSFET 溫度為 93.99°C，R23 溫度為 85.58°C，與測(cè)量結(jié)果高度吻合。直接比較圖 5 和圖 7 可以輕松發(fā)現(xiàn)，加熱瞬態(tài)的時(shí)間常數(shù)方面也有同樣的一致性。

圖 7：測(cè)量的 U 型半橋元器件升溫。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

圖 8：測(cè)量的頂層穩(wěn)態(tài)溫度。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

結(jié)語(yǔ)

STMicroelectronics 最近發(fā)布了 EVALSTDRIVE101 評(píng)估板，其設(shè)計(jì)利用了 Cadence? Celsius? Thermal Solver。該電路板面向的是電池供電應(yīng)用所需的高功率和低電壓三相無(wú)刷電機(jī)控制。它包括一個(gè) 50 cm2 的緊湊型功率級(jí)，可以向電機(jī)提供超過(guò) 15 Arms 的電流，而不需要散熱器或額外的冷卻。利用熱仿真器內(nèi)嵌的各種仿真功能，不僅可以預(yù)測(cè)電路板的溫度曲線及其功率級(jí)元器件上的熱點(diǎn)，還可以詳細(xì)說(shuō)明沿著電源印制線的電壓降和電流密度，而這些信息要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)獲取，可能會(huì)非常棘手，甚至根本不可能做到。從設(shè)計(jì)早期到簽核，利用仿真輸出可以快速優(yōu)化電路板布局，調(diào)整放置并糾正布局中的弱點(diǎn)。使用紅外相機(jī)進(jìn)行的熱特征化表明，仿真的和測(cè)量的穩(wěn)態(tài)溫度以及瞬態(tài)溫度曲線之間存在良好的一致性，從而證明了該電路板的出色性能，以及熱仿真器在幫助設(shè)計(jì)人員減少設(shè)計(jì)裕量和實(shí)現(xiàn)快速上市方面的有效性。