如何在挑戰性環境中優化 BLDC 電機驅動器的熱性能

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

無刷直流 (BLDC) 電機越來越多地用于熱條件苛刻的環境中，如電動汽車 (EV) 等汽車環境以及如機器人、制造設備等工業應用環境。對于設計者來說，有效的熱管理是確保 BLDC 電機驅動器可靠運行的關鍵考慮因素。為此，他們需要特別注意功率 MOSFET 和柵極驅動 IC 的開關頻率、效率、工作溫度范圍和外形尺寸，同時還需要確保這些器件符合 AEC-Q101、生產件批準程序 (PPAP) 和國際汽車工作組 (IATF) 16949:2016（如適用） 等規范。

此外，柵極驅動器應與標準晶體管-晶體管邏輯門 (TTL) 和 CMOS 電壓水平兼容，以簡化與微控制器 (MCU) 的接口。此外，柵極驅動器還需能夠保護 MOSFET 不受各種故障的影響，并需要有匹配良好的傳播延遲來實現高效的高頻運行。

為此，設計人者可以將雙 N 溝道增強模式 MOSFET 與高頻柵極驅動器 IC 配對，以構建緊湊、高效的解決方案。

本文首先介紹設計 BLDC 電機驅動器時需要考慮熱管理因素，然后簡要總結 AEC-Q101、PPAP 和 IATF 16949:2016 標準的要求。接下來，以 [Diodes, Inc]的高性能 [雙 N 溝道增強模式 MOSFET]和相匹配的[柵極驅動器 IC]為例進行介紹，這些產品適用于汽車和工業 BLDC 電機驅動系統。本文最后討論 BLDC 驅動電路的 PC 板布局注意事項，包括盡可能減少電磁干擾 (EMI) 和優化熱性能。

BLDC 和換向

BLDC 和有刷電機的關鍵區別在于，BLDC 需要在 MCU 控制下實現換向。這就要求有能力檢測轉子的旋轉位置。位置檢測可通過電流檢測電阻或霍爾效應傳感器來完成。將霍爾效應傳感器以 120° 間隔安裝在電機內部，是常見、準確且有效的位置檢測方法。

這種方法包括采用六個功率 MOSFET 組成的橋式配置來驅動一臺三相 BLDC 電機?；魻栃獋鞲衅鳟a生數字信號，MCU 利用此信號來確定電機位置，然后產生驅動信號，按照所需的順序和速度開關 MOSFET，以控制電機運行（圖 1）?？煽匦允鞘褂?BLDC 電機的一個主要好處。

圖 1：在三相 BLDC 電機中，采用三個霍爾效應傳感器提供控制六個功率 MOSFET 開關所需的位置信息。（圖片來源：Diodes, Inc.）

處理傳播延遲問題

MCU 產生的控制信號太弱，不能直接用于驅動功率 MOSFET，所以使用柵極驅動 IC 來放大 MCU 的信號。然而，柵極驅動 IC 的引入也帶來了一定程度的控制信號傳播延遲。此外，半橋柵極驅動器中的兩個通道的響應時間略有不同，導致傳播延遲出現偏移。在最嚴重的情況下，高壓側開關可以在低壓側開關完全斷開之前接通，從而導致兩個開關同時導通。如果發生這種情況，將會出現短路并導致電機驅動器或電機損壞。

我們有幾種方法來已應對傳播延遲問題。其中一種方法涉及到使用快速 MCU，其反應速度足以補償傳播延遲。這種方法有兩個潛在問題，需要更昂貴的 MCU 并且 MCU 在開關過程中會引入死區時間帶，以確保這兩個開關始終不會同時閉合。這種死區時間延遲了整個切換過程。

在大多數應用中，首選替代方案是使用具有短傳播延遲的柵極驅動器。高性能柵極驅動器 IC 還包括防跨導邏輯，可進一步提高系統可靠性（圖 2）。

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

保持冷卻

安全和精確地驅動功率 MOSFET 是 BLDC 電機可靠運行的關鍵，保持功率 MOSFET 冷卻同等重要。與功率半導體的熱管理有關的兩個重要規格是結對外殼的熱阻 (Rθ 杰成 ) 和結對環境的熱阻 (Rθ 和 )。這兩個參數以 ℃/W 為單位。Rθ杰成是特定的器件和封裝的結對外殼熱阻。這是一個固定量，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是一個更廣泛的概念：包括 Rθ杰成加上焊點和散熱器的溫度系數。對于功率 MOSFET，RθJA可能比 RθJC大 10 倍。保持 MOSFET 的封裝（外殼）溫度 ( TC ) 受控是一個關鍵考慮因素（圖 3）。這意味著在為功率 MOSFET 開發熱管理解決方案時，電路板布局和散熱器等因素非常重要。幾乎所有在 MOSFET 中產生的熱量都將通過 PC 板上的導熱銅墊/散熱器發散。

圖 3：RθJA是衡量熱耗散的一個關鍵指標，可能比 RθJC大 10 倍。（圖片來源：Diodes, Inc.）

汽車標準

為了用于汽車應用，這些器件還必須滿足一個或多個行業標準，具體包括 AEC-Q100、AEC-Q101、PPAP 和 IATF 16949:2016 標準。AEC-Q100 和 AEC-Q101 是用于汽車應用中的半導體器件的可靠性標準。PAPP 是說明文檔和跟蹤標準，而 IATF 16949:2016 是基于 ISO 9001 的質量標準。更具體地說：

AEC-Q100 是一種基于故障機理的壓力測試標準，適用于封裝集成電路，具體包括四個環境工作溫度范圍或等級：

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

AEC-Q101 規定了如功率 MOSFET 等分立式器件的最低應力測試驅動要求和條件，并規定工作溫度為 -40°C 至 +125°C。

PPAP 是一個針對新部件或修改部件的 18 步批準程序。該批準程序旨在確保組件始終滿足各項指定要求。PPAP 有五個標準的提交等級，具體要求由供應商和客戶協商確定。

IATF 16949:2016 是一個基于 ISO 9001 的汽車質量體系，以及由汽車行業客戶提出的特定要求。該標準要求由第 3^ ^方審核機構進行認證。

雙功率 MOSFET

為了實現高效的 BLDC 電機驅動，設計者可以使用諸如適合工業應用的 Diodes Inc. [DMTH6010LPD-13]等雙 N 溝道增強型場效應晶體管，以及符合 AEC-Q101 的汽車應用的 [DMTH6010LPDQ-13]器件。這兩個部件都獲得了 PPAP 支持，并由獲得 IATF 16949 認證的工廠制造。這類 MOSFET 器件具有 2615 pF 低輸入電容 (C 國際空間站 )，可支持快速開關，并具有 11 mΩ 低導通電阻 (R DS（開） )，以實現高轉換效率，使其適合高頻、高效應用。這類器件具有 10 V 柵極驅動，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以實現高熱耗散（圖 4）。具體熱規格包括：

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

圖 4：DMTH6010LPD-13 和 DMTH6010LPDQ-13 通過其 PowerDI5060-8 封裝的大型漏極焊盤實現高熱耗散。（圖片來源：Diodes, Inc.）

雙 MOSFET 柵極驅動器

為了驅動雙功率 MOSFET，設計者可以使用以下任一種半橋柵極驅動器：適合工業應用的 [DGD05473FN-7] 或適合汽車系統的 AEC-Q100 認證 [DGD05473FNQ-7]。這兩款器件獲得了 PPAP 支持，并由獲得 IATF 16949 認證的工廠制造。輸入與 TTL 和 CMOS 電平兼容（低至 3.3 V），以簡化與 MCU 的連接，浮動高壓側驅動器的額定電壓為 50 V。保護功能包括 UVLO 和防跨導邏輯（見圖 2）。集成陰極負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 灌電流的最大驅動電流
• 低于 1 μA 的待機電流
• AEC-Q100 1 級工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C

考慮了散熱和 EMI

為了使用上文詳述的 MOSFET 和驅動 IC 的電路板布局，最佳做法是將緊湊型設計與 MOSFET 的最大實際銅面積相結合，以確保最佳散熱。緊湊型設計會最大限度地減少回路面積，而短布線長度會最大限度地減小電磁干擾，并減少電磁兼容性 (EMC) 問題。

為了進一步提高 EMC 和散熱性能，PC 板應包括一個堅實的內部接地平面和一個額外的底部電源平面。此外，還應使用單獨的內層來處理信號線。

MOSFET 的封裝對熱性能有很大影響。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，發現具有最大漏極焊盤的 PowerDI5060 具有最高的功率耗散，可達 2.12 W（圖 5）。

圖 5：與兩個較小的封裝相比，PowerDI5060（藍線）的耗散功率更大。（圖片來源：Diodes, Inc.）

結束語

采用高效散熱型封裝的雙功率 MOSFET 可與相匹配的柵極驅動 IC 組合使用，為汽車、工業應用生產緊湊的高性能 BLDC 電機驅動器。這些解決方案可以分別滿足 AEC、PPAP 和 IATF 的可靠性、說明文檔和質量標準要求。利用最佳的 PC 板布局，這些器件有助于設計者在實施 BLDC 電機驅動器時達到最佳的熱性能和 EMC 性能。