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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 無刷直流 (BLDC) 電機越來越多地用于熱條件苛刻的環(huán)境中，如電動汽車 (EV) 等汽車環(huán)境以及如機器人、制造設備等工業(yè)應用環(huán)境。對于設計者來說，有效的熱管理是確保 BLDC 電機驅(qū)動器可靠運行的關(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 IC 的開關(guān)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(chǎn)件批準程序 (PPAP) 和國際汽車工作組 (IATF)16949:2016（如適用）等規(guī)范。 此外，柵極驅(qū)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(qū)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(xiàn)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(qū)動器 IC 配對，以構(gòu)建緊湊、高效的解決方案。 本文首先介紹設計 BLDC 電機驅(qū)動器時需要考慮熱管理因素，然后簡要總結(jié) 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(qū)動器 IC 為例進行介紹，這些產(chǎn)品適用于汽車和工業(yè) BLDC 電機驅(qū)動系統(tǒng)。本文最后討論 BLDC 驅(qū)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(yōu)化熱性能。 BLDC 和換向 BLDC 和有刷電機的關(guān)鍵區(qū)別在于，BLDC 需要在 MCU 控制下實現(xiàn)換向。這就要求有能力檢測轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(qū)動一臺三相 BLDC 電機。霍爾效應傳感器產(chǎn)生數(shù)字信號，MCU 利用此信號來確定電機位置，然后產(chǎn)生驅(qū)動信號，按照所需的順序和速度開關(guān) MOSFET，以控制電機運行（圖 1）。可控性是使用 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(guān)所需的位置信息。（圖片來源：Diodes, Inc.） 處理傳播延遲問題 MCU 產(chǎn)生的控制信號太弱，不能直接用于驅(qū)動功率 MOSFET，所以使用柵極驅(qū)動 IC 來放大 MCU 的信號。然而，柵極驅(qū)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(qū)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(xiàn)偏移。在最嚴重的情況下，高壓側(cè)開關(guān)可以在低壓側(cè)開關(guān)完全斷開之前接通，從而導致兩個開關(guān)同時導通。如果發(fā)生這種情況，將會出現(xiàn)短路并導致電機驅(qū)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(guān)過程中會引入死區(qū)時間帶，以確保這兩個開關(guān)始終不會同時閉合。這種死區(qū)時間延遲了整個切換過程。 在大多數(shù)應用中，首選替代方案是使用具有短傳播延遲的柵極驅(qū)動器。高性能柵極驅(qū)動器 IC 還包括防跨導邏輯，可進一步提高系統(tǒng)可靠性（圖 2）。
圖 2：高性能柵極驅(qū)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(qū)動功率 MOSFET 是 BLDC 電機可靠運行的關(guān)鍵，保持功率 MOSFET 冷卻同等重要。與功率半導體的熱管理有關(guān)的兩個重要規(guī)格是結(jié)對外殼的熱阻 (RθJC) 和結(jié)對環(huán)境的熱阻 (RθJA)。這兩個參數(shù)以 ℃/W 為單位。RθJC 是特定的器件和封裝的結(jié)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。 RθJA 是一個更廣泛的概念：包括 RθJC 加上焊點和散熱器的溫度系數(shù)。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(guān)鍵考慮因素（圖 3）。這意味著在為功率 MOSFET 開發(fā)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(chǎn)生的熱量都將通過 PC 板上的導熱銅墊/散熱器發(fā)散。
圖 3：RθJA 是衡量熱耗散的一個關(guān)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(yè)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(zhì)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(huán)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(guī)定了如功率 MOSFET 等分立式器件的最低應力測試驅(qū)動要求和條件，并規(guī)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(xié)商確定。 IATF 16949:2016 是一個基于 ISO 9001 的汽車質(zhì)量體系，以及由汽車行業(yè)客戶提出的特定要求。該標準要求由第 3 方審核機構(gòu)進行認證。 雙功率 MOSFET 為了實現(xiàn)高效的 BLDC 電機驅(qū)動，設計者可以使用諸如適合工業(yè)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 (Ciss)，可支持快速開關(guān)，并具有 11 mΩ 低導通電阻 (RDS(on))，以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，使其適合高頻、高效應用。這類器件具有 10 V 柵極驅(qū)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(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，并有熱過孔通向由 1 英寸方形銅板構(gòu)成的底層。 · RθJC 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(xiàn)高熱耗散。（圖片來源：Diodes, Inc.） 雙 MOSFET 柵極驅(qū)動器 為了驅(qū)動雙功率 MOSFET，設計者可以使用以下任一種半橋柵極驅(qū)動器：適合工業(yè)應用的 DGD05473FN-7 或適合汽車系統(tǒng)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(cè)驅(qū)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(qū)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(qū)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(jié)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(nèi)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(nèi)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(fā)現(xiàn)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(jié)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(qū)動 IC 組合使用，為汽車、工業(yè)應用生產(chǎn)緊湊的高性能 BLDC 電機驅(qū)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(zhì)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(qū)動器時達到最佳的熱性能和 EMC 性能。 |
