Optimiser les performances thermiques des entraînements de moteurs BLDC en environnements difficiles

Les moteurs à courant continu sans balais (BLDC) sont de plus en plus utilisés dans des conditions thermiques exigeantes dans les environnements automobiles tels que les véhicules électriques (VE) et dans les applications industrielles telles que la robotique et les équipements de fabrication. Pour les concepteurs, une gestion thermique efficace est un facteur clé pour garantir le fonctionnement fiable des entraînements de moteurs BLDC. À cette fin, ils doivent accorder une attention particulière aux MOSFET de puissance et aux circuits intégrés d'attaque de grille en ce qui concerne la fréquence de commutation, le rendement, la plage de températures de fonctionnement et le facteur de forme, tout en s'assurant qu'ils répondent aux qualifications telles qu'AEC-Q101, PPAP (Production Part Approval Process, processus d'homologation des pièces de production) et IATF (International Automotive Task Force) 16949:2016, si applicable.

De plus, les circuits d'attaque de grille doivent être compatibles avec les niveaux de tension CMOS et TTL pour simplifier l'interfaçage avec les microcontrôleurs (MCU). Ils doivent également être capables de protéger les MOSFET contre différentes conditions de défaillance et avoir des temps de propagation bien adaptés pour permettre un fonctionnement efficace à haute fréquence.

Pour répondre à ces besoins, les concepteurs peuvent associer des MOSFET à enrichissement à double canal N avec des circuits intégrés d'attaque de grille haute fréquence pour produire des solutions compactes et efficaces.

Cet article commence par un aperçu des considérations relatives à la gestion thermique lors de la conception d'entraînements de moteurs BLDC, puis résume brièvement les exigences pour AEC-Q101, PPAP et IATF 16949:2016. Il présente ensuite des exemples de MOSFET à enrichissement à double canal N hautes performances et les circuits intégrés d'attaque de grille correspondants de Diodes, Inc., adaptés aux systèmes d'entraînement de moteur BLDC automobiles et industriels. L'article se termine par une discussion sur les considérations relatives à la disposition des circuits imprimés pour les circuits de commande BLDC, y compris la minimisation des interférences électromagnétiques (EMI) et l'optimisation des performances thermiques.

BLDC et commutation

La principale différence entre les BLDC et les moteurs à balais est que le contrôle de microcontrôleur est nécessaire avec les BLDC pour réaliser la commutation. Cela requiert la capacité de détecter la position de rotation du rotor. La détection de position peut être réalisée à l'aide de résistances de détection du courant ou de capteurs à effet Hall. Le placement de capteurs à effet Hall à l'intérieur du moteur — à une distance de 120° — est un moyen courant, précis et efficace de mettre en œuvre la détection de position.

La méthode implique l'utilisation d'une configuration en pont de six MOSFET de puissance pour commander un moteur BLDC triphasé. Les capteurs à effet Hall produisent des signaux numériques que le microcontrôleur utilise pour déterminer la position du moteur, puis produisent des signaux de commande pour commuter les MOSFET dans la séquence requise et à la vitesse souhaitée pour contrôler le fonctionnement du moteur (Figure 1). La contrôlabilité est un avantage clé de l'utilisation des moteurs BLDC.

Figure 1 : Dans un moteur BLDC triphasé, trois capteurs à effet Hall fournissent les informations de position nécessaires pour commander la commutation des six MOSFET de puissance. (Source de l'image : Diodes, Inc.)

Gérer le temps de propagation

Les signaux de commande produits par le microcontrôleur sont trop faibles pour commander directement les MOSFET de puissance, de sorte qu'un circuit intégré d'attaque de grille est utilisé pour amplifier les signaux du microcontrôleur. Cependant, l'introduction du circuit intégré d'attaque de grille entraîne également un certain temps de propagation des signaux de commande. De plus, les deux canaux d'un circuit d'attaque de grille en demi-pont présentent des temps de réponse légèrement différents, ce qui entraîne un décalage du temps de propagation. Dans le pire des cas, le commutateur haut potentiel peut être activé avant que le commutateur bas potentiel ne soit complètement désactivé, ce qui fait que les deux commutateurs sont conducteurs en même temps. Si cela se produit, il y aura un court-circuit et l'entraînement du moteur ou le moteur peut être endommagé ou détruit.

Il existe plusieurs façons de traiter les problèmes de temps de propagation. L'une implique l'utilisation d'un microcontrôleur rapide qui peut réagir suffisamment rapidement pour compenser le temps de propagation. Deux problèmes potentiels avec cette approche sont qu'elle nécessite un microcontrôleur plus coûteux, et le microcontrôleur introduit une bande de temps de récupération dans le processus de commutation pour garantir que les deux commutateurs ne sont jamais activés en même temps. Ce temps de récupération retarde le processus de commutation global.

L'alternative privilégiée dans la plupart des applications consiste à utiliser un circuit d'attaque de grille avec un court temps de propagation. Les circuits intégrés d'attaque de grille hautes performances incluent également une logique de prévention d'interconduction pour améliorer davantage la fiabilité du système (Figure 2).

Figure 2 : Les circuits intégrés d'attaque de grille hautes performances incluent une logique de prévention d'interconduction (au centre, à gauche) en plus d'avoir des temps de propagation minimaux. (Source de l'image : Diodes, Inc.)

Éviter la surchauffe

Une commande sûre et précise des MOSFET de puissance est essentielle au fonctionnement fiable des moteurs BLDC, tout comme le refroidissement des MOSFET de puissance. Deux spécifications importantes liées à la gestion thermique des semi-conducteurs de puissance sont la résistance thermique jonction-boîtier (R_θJC), et la résistance thermique jonction-environnement (R_θJA). Les deux sont exprimés en degrés Celsius par watt (°C/W). R_θJC est spécifique au dispositif et au boîtier. Il s'agit d'une valeur fixe qui dépend de facteurs tels que la taille de la puce, le matériau de fixation de la puce et les caractéristiques thermiques du boîtier.

La résistance R_θJA est un concept plus global : elle inclut R_θJC plus les coefficients de température des joints de soudure et du dissipateur thermique. Pour les MOSFET de puissance, la valeur R_θJA peut être 10 fois plus élevée que R_θJC. Le maintien sous contrôle de la température du boîtier (T_C) MOSFET est une considération clé (Figure 3). Cela signifie que des facteurs tels que la disposition de la carte et la dissipation thermique sont très importants lors du développement d'une solution de gestion thermique pour les MOSFET de puissance. Presque toute la chaleur générée dans le MOSFET sera dissipée par le plot de cuivre/dissipateur thermique sur la carte à circuit imprimé.

Figure 3 : R_θJA est une mesure clé de la dissipation thermique et peut être 10 fois plus élevée que R_θJC. (Source de l'image : Diodes, Inc.)

Normes automobiles

Pour être utilisés dans une application automobile, les dispositifs doivent également répondre à une ou plusieurs normes de l'industrie, notamment AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP et IATF 16949:2016. AEC-Q100 et AEC-Q101 sont des normes de fiabilité pour les dispositifs à semi-conducteurs utilisés dans les applications automobiles. PAPP est une norme de documentation et de suivi, et IATF 16949:2016 est une norme de qualité basée sur ISO 9001. Plus spécifiquement :

AEC-Q100 est un test de résistance basé sur les mécanismes de défaillance pour les circuits intégrés en boîtier et inclut quatre plages de températures ambiantes de fonctionnement, ou grades :

• Grade 0 : de -40°C à +150°C
• Grade 1 : de -40°C à +125°C
• Grade 2 : de -40°C à +105°C
• Grade 3 : de -40°C à +85°C

AEC-Q101 définit les exigences et les conditions minimum basées sur les tests de résistance pour les dispositifs discrets tels que les MOSFET de puissance et spécifie le fonctionnement de -40°C à +125°C.

PPAP est un processus d'approbation en 18 étapes pour les composants nouveaux ou révisés. Ce processus est conçu pour garantir que les composants répondent systématiquement aux exigences spécifiées. Le processus PPAP a cinq niveaux standard de soumission, et les exigences sont négociées entre le fournisseur et le client.

IATF 16949:2016 est un système de qualité automobile basé sur la norme ISO 9001 et les exigences spécifiques des clients du secteur automobile. Cette norme requiert une certification par un auditeur tiers.

MOSFET de puissance doubles

Pour mettre en œuvre un entraînement moteur BLDC efficace, les concepteurs peuvent utiliser des FET à enrichissement à double canal N comme le DMTH6010LPD-13 de Diodes Inc. pour les applications industrielles, et le DMTH6010LPDQ-13 qui est qualifié AEC-Q101 pour les applications automobiles. Les deux composants sont pris en charge par PPAP et fabriqués dans des installations certifiées IATF 16949. Ces MOSFET présentent une faible capacité d'entrée (C_iss) de 2615 picofarads (pF) pour prendre en charge des vitesses de commutation rapides et une faible résistance à l'état passant (R_DS(on)) de 11 milliohms (mΩ) pour un haut rendement de conversion, ce qui les rend adaptés aux applications à haute fréquence et à haut rendement. Les dispositifs ont une attaque de grille de 10 volts (V), sont répertoriés pour un fonctionnement à +175 °C et sont fournis en boîtier PowerDI5060-8 de 5 millimètres (mm) x 6 mm avec un grand plot de drain pour une haute dissipation thermique (Figure 4) . Les spécifications thermiques incluent :

• R_θJA en régime permanent de 53°C/W avec le dispositif monté sur un circuit imprimé FR-4 avec du cuivre de 2 onces (oz) et avec des vias thermiques vers une couche inférieure comprenant une plaque de cuivre carrée de 1 pouce
• R_θJC de 4°C/W
• Répertorié à +175°C

Figure 4 : Le DMTH6010LPD-13 et le DMTH6010LPDQ-13 utilisent le grand plot de drain de leur boîtier PowerDI5060-8 pour prendre en charge une dissipation thermique élevée. (Source de l'image : Diodes, Inc.)

Circuit d'attaque de grille MOSFET double

Pour commander des MOSFET de puissance doubles, les concepteurs peuvent utiliser deux circuits d'attaque de grille en demi-pont : le DGD05473FN-7 pour les applications industrielles, ou le DGD05473FNQ-7 qualifié AEC-Q100 pour les systèmes automobiles. Ces circuits d'attaque sont également pris en charge par PPAP et fabriqués dans des installations certifiées IATF 16949. Les entrées sont compatibles avec les niveaux TTL et CMOS (jusqu'à 3,3 V) pour simplifier la connexion avec un microcontrôleur, et le circuit d'attaque haut potentiel flottant est répertorié pour 50 V. Les fonctions de protection incluent le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO) et la logique de prévention d'interconduction (voir Figure 2). La diode auto-élévatrice intégrée permet de minimiser l'espace carte. Les autres fonctionnalités incluent :

• Temps de propagation de 20 nanosecondes (ns)
• Adaptation de retard maximum de 5 ns
• Courant d'attaque maximum source de 1,5 ampère (A) et absorbé de 2,5 A
• Courant de veille inférieur à 1 microampère (µA)
• Plage de températures de fonctionnement AEC-Q100 grade 1 de -40°C à +125°C

Considérations thermiques et EMI

Les meilleures pratiques de configuration de carte utilisant les MOSFET et les circuits d'attaque détaillés ci-dessus doivent combiner une conception compacte avec les surfaces de cuivre pratiques les plus grandes pour les MOSFET afin de garantir la meilleure dissipation thermique possible. La conception compacte minimise les zones de boucle, tandis que les courtes longueurs de fil minimisent les EMI et réduisent les problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM).

Pour améliorer davantage les performances CEM et thermiques, un plan de masse interne solide et un plan d'alimentation supplémentaire sur la face inférieure doivent être inclus dans le circuit imprimé. De plus, une couche interne séparée doit être utilisée pour les lignes de signaux.

Le boîtier MOSFET a un impact majeur sur les performances thermiques. En examinant trois options, le PowerDI5060-8, le PowerDI3333-8 de 3 mm x 3 mm et le DFN2020-6 de 2 mm x 2 mm, on constate que le PowerDI5060 avec le plus grand plot de drain supporte la dissipation de puissance la plus élevée, atteignant 2,12 W (Figure 5).

Figure 5 : Le PowerDI5060 (ligne bleue) dissipe plus de puissance par rapport aux deux boîtiers plus petits. (Source de l'image : Diodes, Inc.)

Conclusion

Les MOSFET de puissance doubles en boîtiers thermiquement efficaces peuvent être combinés à des circuits intégrés d'attaque de grille adaptés pour produire des entraînements de moteurs BLDC compacts et hautes performances pour les applications automobiles et industrielles. Ces solutions peuvent répondre aux normes AEC, PPAP et IATF en matière de fiabilité, de documentation et de qualité, respectivement. En utilisant les meilleures pratiques de configuration des circuits imprimés, les dispositifs peuvent être utilisés pour aider les concepteurs à obtenir les meilleures performances thermiques et CEM pour la mise en œuvre de leur entraînement de moteur BLDC.

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