Como otimizar o desempenho térmico do acionamento do motor BLDC em ambientes desafiadores

Os motores de corrente contínua sem escovas (BLDC) são usados, cada vez mais, em condições térmicas exigentes em ambientes automotivos, como veículos elétricos (EVs), e em aplicações industriais, como robótica e equipamentos de fabricação. Para os projetistas, o gerenciamento térmico eficaz é uma consideração fundamental para garantir a operação confiável dos acionamentos de motores BLDC. Para isso, eles precisam prestar atenção especial aos MOSFETs de potência e aos CIs acionadores de porta com relação à frequência de chaveamento, eficiência, faixa de temperatura operacional e ao fator de forma, além de garantir que eles atendam a qualificações como AEC-Q101, Processo de Aprovação da Peça de Produção (PPAP) e Força Tarefa Automotiva Internacional (IATF) padrão 16949:2016, onde for aplicável.

Além disso, os acionadores de porta devem ser compatíveis com os níveis de tensão de padrão TTL (transistor-transistor-logic) e CMOS para simplificar a interface com os microcontroladores (MCUs). Eles também precisam ser capazes de proteger os MOSFETs de várias condições de falha e precisam ter atrasos de propagação bem combinados para suportar uma operação eficiente de alta frequência.

Para atender a essas necessidades, os projetistas podem combinar dois MOSFETs de canal N em modo enriquecimento com CIs acionadores de porta de alta frequência para produzir soluções compactas e eficientes.

Este artigo começa com uma visão geral das considerações sobre o gerenciamento térmico ao projetar acionamentos de motores BLDC e, em seguida, resume brevemente os requisitos da AEC-Q101, PPAP e IATF 16949:2016. Depois, apresenta exemplos de dois MOSFETs de canal N em modo enriquecimento de alto desempenho e os CIs acionadores de porta correspondentes da Diodes, Inc. que são adequados para sistemas de acionamento de motores BLDC automotivos e industriais. O artigo termina com uma discussão sobre as considerações de layout da placa de circuito impresso para circuitos de acionamento BLDC, incluindo a minimização da interferência eletromagnética (EMI) e a otimização do desempenho térmico.

BLDCs e comutação

A principal diferença entre os BLDCs e os motores com escovas é que o controle da MCU é necessário com os BLDCs para obter a comutação. Isso requer a capacidade de detectar a posição rotacional do rotor. A detecção de posição pode ser realizada usando resistores de detecção de corrente ou sensores de efeito Hall. A colocação de sensores de efeito Hall dentro do motor — separados por 120° — é uma maneira comum, precisa e eficiente de implementar o sensoriamento de posição.

O método envolve o uso de uma configuração em ponte de seis MOSFETs de potência para acionar um motor BLDC de três fases. Os sensores de efeito Hall produzem sinais digitais que a MCU usa para determinar a posição do motor e, em seguida, produzem os sinais de acionamento para comutar os MOSFETs na sequência necessária e na taxa desejada para controlar a operação do motor (Figura 1). A capacidade de controle é uma das principais vantagens do uso de motores BLDC.

Figura 1: Em um motor BLDC de três fases, três sensores de efeito Hall fornecem as informações de posição necessárias para controlar o chaveamento dos seis MOSFETs de potência. (Fonte da imagem: Diodes, Inc.)

Lidando com o atraso de propagação

Os sinais de controle produzidos pela MCU são muito fracos para acionar diretamente os MOSFETs de potência, portanto, um CI acionador de porta é usado para amplificar os sinais da MCU. No entanto, a introdução do CI acionador de porta também introduz um certo atraso na propagação dos sinais de controle. Além disso, os dois canais em um acionador de porta de meia ponte têm tempos de resposta ligeiramente diferentes que resultam em uma distorção do atraso de propagação. Na pior das hipóteses, o comutador do lado de alta pode ser ligado antes que o comutador do lado de baixa esteja completamente desligado, resultando na condução de ambos os comutadores ao mesmo tempo. Se isso ocorrer, haverá um curto-circuito, e o acionamento do motor ou o motor poderá ser danificado ou destruído.

Há algumas maneiras de lidar com problemas de atraso de propagação. Uma delas envolve o uso de uma MCU veloz que possa reagir com rapidez suficiente para compensar o atraso de propagação. Dois possíveis problemas com essa abordagem são que ela requer uma MCU mais cara, e a MCU introduz uma banda de tempo morto no processo de chaveamento para garantir que os dois comutadores nunca estejam ligados ao mesmo tempo. Esse tempo morto atrasa o processo geral de chaveamento.

A alternativa preferida na maioria das aplicações é usar um acionador de porta com um atraso de propagação curto. Os CIs acionadores de porta de alto desempenho também incluem lógica de prevenção de condução cruzada para aumentar ainda mais a confiabilidade do sistema (Figura 2).

Figura 2: Os CIs acionadores de porta de alto desempenho incluem lógica de prevenção da condução cruzada (centro à esquerda), além de terem atrasos mínimos de propagação. (Fonte da imagem: Diodes, Inc.)

Permanecendo frio

O acionamento seguro e preciso dos MOSFETs de potência é fundamental para a operação confiável dos motores BLDC, assim como manter os MOSFETs de potência resfriados. Duas especificações importantes relacionadas ao gerenciamento térmico de semicondutores de potência são a resistência térmica da junção ao invólucro (R_θJC) e a resistência térmica da junção ao ambiente (R_θJA). Ambos são expressos em graus Celsius por watt (°C/W). O R_θJC é específico do dispositivo e do invólucro. É um valor fixo que depende de fatores como tamanho da pastilha, material de fixação da pastilha e características térmicas do invólucro.

O R_θJA é um conceito mais abrangente: inclui o R_θJC mais os coeficientes de temperatura da junta de solda e do dissipador de calor. Para MOSFETs de potência, o R_θJA pode ser 10 vezes maior que o R_θJC. Manter a temperatura do invólucro (_TC) do MOSFET sob controle é uma consideração fundamental (Figura 3). Isso significa que fatores como o layout da placa e o dissipador de calor são muito importantes no desenvolvimento de uma solução de gerenciamento térmico para MOSFETs de potência. Quase todo o calor gerado no MOSFET será dissipado pela ilha de cobre/dissipador de calor na placa de circuito impresso.

Figura 3: O R_θJA é uma métrica importante da dissipação térmica e pode ser 10 vezes maior que o R_θJC. (Fonte da imagem: Diodes, Inc.)

Padrões automotivos

Para serem usados em uma aplicação automotiva, os dispositivos também devem atender a um ou mais padrões do setor, incluindo AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP e IATF 16949:2016. AEC-Q100 e AEC-Q101 são padrões de confiabilidade para dispositivos semicondutores usados em aplicações automotivas. O PAPP é um padrão de documentação e rastreamento, e a IATF 16949:2016 é um padrão de qualidade baseado na ISO 9001. Mais especificamente:

O AEC-Q100 é um teste de estresse baseado em mecanismos de falha para CIs encapsulados e inclui quatro faixas de temperatura ambiente de operação:

• Faixa 0: -40°C a +150°C
• Faixa 1: -40°C a +125°C
• Faixa 2: -40°C a +105°C
• Faixa 3: -40°C a +85°C

O AEC-Q101 define os requisitos e as condições mínimas de teste de estresse para dispositivos discretos, como MOSFETs de potência, e especifica a operação de -40°C a +125°C.

O PPAP é um processo de aprovação de 18 etapas para componentes novos ou revisados. Ele foi concebido para garantir que os componentes atendam consistentemente aos requisitos especificados. O PPAP tem cinco níveis padrões de envio, e os requisitos são negociados entre o fornecedor e o cliente.

A IATF 16949:2016 é um sistema de qualidade automotiva baseado na ISO 9001 e em requisitos específicos do cliente do setor automotivo. Esse padrão exige a certificação por um auditor terceirizado.

Dois MOSFETs de potência

Para implementar um acionamento eficiente de motor BLDC, os projetistas podem usar dois FETs de canal N em modo de enriquecimento, como o DMTH6010LPD-13 da Diodes Inc. para aplicações industriais e o DMTH6010LPDQ-13, que é qualificado pela AEC-Q101 para aplicações automotivas. Ambas as peças são apoiadas por um PPAP e fabricadas em instalações certificadas pela IATF 16949. Esses MOSFETs apresentam uma baixa capacitância de entrada (C_iss) de 2615 picofarads (pF) para suportar velocidades rápidas de chaveamento e uma baixa resistência de saturação (R_DS(on)) de 11 miliohms (mΩ) para alta eficiência de conversão, o que os tornam adequados para aplicações de alta frequência e alta eficiência. Os dispositivos têm um acionamento de porta de 10 volts, são dimensionados para operação a +175°C e vêm em um invólucro PowerDI5060-8 de 5 milímetros (mm) x 6 mm com uma grande pad de dreno para alta dissipação térmica (Figura 4). As especificações térmicas incluem:

• R_θJA de estado estacionário de 53°C/W com o dispositivo montado em uma placa de circuito impresso FR-4 com cobre de 56,7 gramas (g) e com vias térmicas para uma camada inferior que compreende uma placa de cobre quadrada de 2,54 cm
• R_θJC de 4°C/W
• Dimensionado para +175°C

Figura 4: O DMTH6010LPD-13 e o DMTH6010LPDQ-13 usam o grande pad de dreno do invólucro PowerDI5060-8 para suportar a alta dissipação térmica. (Fonte da imagem: Diodes, Inc.)

Acionador de porta para MOSFET duplo

Para acionar dois MOSFETs de potência, os projetistas podem usar um dos dois acionadores de porta de meia ponte: o DGD05473FN-7 para aplicações industriais ou o DGD05473FNQ-7 com qualificação AEC-Q100 para sistemas automotivos. Esses acionadores também são apoiados por um PPAP e fabricados em instalações certificadas pela IATF 16949. As entradas são compatíveis com os níveis TTL e CMOS (até 3,3 volts) para simplificar a conexão com uma MCU, e o acionador flutuante de lado de alta é dimensionado para 50 volts. As funções de proteção incluem UVLO e lógica de prevenção da condução cruzada (veja novamente a Figura 2). O diodo de bootstrap integrado ajuda a minimizar o espaço na placa de circuito impresso. Inclui outros recursos:

• Atraso de propagação de 20 nanossegundos (ns)
• Correspondência de atraso máximo de 5 ns
• Corrente de acionamento máxima de 1,5 ampere (A) na fonte e 2,5 A no sumidouro
• Corrente de espera inferior a 1 microampere (µA)
• Faixa 1 da temperatura operacional AEC-Q100 de -40 °C a +125 °C

Considerações térmicas e de EMI

As práticas recomendadas de layout da placa, usando os MOSFETs e os CIs acionadores, detalhadas acima devem combinar um projeto compacto com as maiores áreas úteis de cobre para os MOSFETs a fim de garantir a melhor dissipação térmica possível. O projeto compacto minimizará as áreas de malha fechada, enquanto os comprimentos curtos da fiação minimizarão a EMI e reduzirão as preocupações com a compatibilidade eletromagnética (EMC).

Para melhorar ainda mais o desempenho térmico e EMC, um plano de terra, rígido e interno, e um plano de alimentação adicional na parte inferior devem ser incluídos na placa de circuito impresso. Além disso, uma camada interna separada deve ser usada para as linhas de sinal.

O invólucro do MOSFET tem um grande impacto no desempenho térmico. Analisando três opções, o PowerDI5060-8, o PowerDI3333-8 de 3 mm x 3 mm e o DFN2020-6 de 2 mm x 2 mm, descobrimos que o PowerDI5060 com o maior pad de dreno suporta a maior dissipação de potência, chegando a 2,12 watts (Figura 5).

Figura 5: O PowerDI5060 (linha azul) dissipa mais potência em comparação com os dois invólucros menores. (Fonte da imagem: Diodes, Inc.)

Conclusão

Os dois MOSFETs de potência em invólucros termicamente eficientes podem ser combinados com CIs de acionamento de porta correspondentes, para produzir acionamentos compactos e de alto desempenho dos motores BLDC em aplicações automotivas e industriais. Essas soluções podem atender aos padrões AEC, PPAP e IATF de confiabilidade, documentação e qualidade, respectivamente. Usando as práticas recomendadas de layout de placa de circuito impresso, os dispositivos podem ser usados para ajudar os projetistas a obter o melhor desempenho térmico e de EMC para a implementação do acionamento de motores BLDC.

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