如何在高挑戰性的環境中最佳化無刷直流馬達驅動器的熱效能

越來越多無刷直流 (BLDC) 馬達用於嚴峻的熱環境中，如電動車 (EV) 等汽車環境以及機器人和製造設備等工業應用。對設計人員而言，有效的熱管理是關鍵考量因素，可確保無刷直流馬達驅動器可靠運作。為此，他們需要特別注意功率 MOSFET 和閘極驅動 IC 的切換頻率、效率、工作溫度範圍、外形尺寸，同時確保符合 AEC-Q101、生產產品認可程序 (PPAP) 和國際汽車工作組 (IATF) 標準 16949:2016I 等規範 (如適用)。

此外，閘極驅動應與標準電晶體-電晶體邏輯 (TTL) 和 CMOS 電壓位準相容，以簡化與微控制器 (MCU) 的介接。還需要能夠保護 MOSFET 免受各種故障狀態的影響，並且需要具有良好匹配的傳播延遲以支援高效率高頻操作。

為滿足這些需求，設計人員可以將雙 N 通道增強型 MOSFET 與高頻閘極驅動 IC 配對，以產生緊湊、高效率解決方案。

本文首先概述設計無刷直流馬達驅動器的熱管理注意事項，然後簡要概述 AEC-Q101、PPAP、IATF 16949:2016 的要求。然後介紹 Diodes, Inc 的高效能雙 N 通道增強型 MOSFET 和匹配閘極驅動 IC 適用於汽車和工業無刷直流馬達驅動系統的範例。本文最後討論無刷直流驅動電路的印刷電路板佈局注意事項，包括最小化電磁干擾 (EMI) 和最佳化熱效能。

無刷直流和換向

無刷直流和有刷馬達之間的主要區別在於無刷直流需要 MCU 控制進行換向。這需要能夠偵測轉子旋轉位置。可以使用電流感測電阻或霍爾效應感測器進行位置偵測。將霍爾效應感測器放置在馬達內部 (相隔 120°) 是位置感測的一種常用、準確、高效率的方法。

此方法涉及使用六個功率 MOSFET 的橋式配置驅動三相無刷直流馬達。霍爾效應感測器產生數位訊號，可讓微控制器用於確定馬達位置，然後產生驅動訊號，按所需順序和預期速率切換 MOSFET，控制馬達運作 (圖 1)。可控性是使用無刷直流馬達的一項關鍵優勢。

圖 1：三相無刷直流馬達的三個霍爾效應感測器提供控制六個功率 MOSFET 切換所需的位置資訊。(圖片來源：Diodes, Inc.)

處理傳播延遲

微控制器產生的控制訊號太弱，無法直接驅動功率 MOSFET，因此使用閘極驅動 IC 放大微控制器訊號。然而，使用閘極驅動 IC 也引入一定程度的控制訊號傳播延遲。此外，半橋閘極驅動中的兩個通道響應時間略有不同，會導致傳播延遲差異。在最壞的情況下，高側開關可能在低側開關尚未完全關斷時導通，導致兩個開關同時導通。若是如此，將會短路，導致馬達驅動器或馬達損壞或損毀。

有幾種方法可以處理傳播延遲問題。可使用快速微控制器，能夠快速反應補償傳播延遲。但此方法有兩個潛在問題，亦即需要更昂貴的微控制器，並且微控制器在切換過程中引入了死區 (dead-time band)，以確保兩個開關永遠不會同時打開。失效時間會延遲整個切換過程。

大多數應用的首選替代方案是使用傳播延遲較短的閘極驅動。高效能閘極驅動 IC 還包括防止交叉傳導的邏輯，可進一步增強系統可靠性 (圖 2)。

圖 2：高效能閘極驅動 IC 除了有最小傳播延遲，還包括交叉導通防止邏輯 (中間偏左)。(圖片來源：Diodes, Inc.)

保持散熱

無刷直流馬達的可靠運作不僅重視安全和精確驅動功率 MOSFET，保持功率 MOSFET 散熱也十分重要。與功率半導體熱管理相關的兩個重要規格是結殼熱阻 (R_θJC) 和結至環境熱阻 (R_θJA)。兩者均以每瓦攝氏度 (°C/W) 表示。R_θJC 與元件和封裝相關。這是一個固定值，取決於晶片尺寸、晶片黏合材料和封裝熱特性等因素。

R_θJA 是一個更廣泛的概念：包括 R_θJC 加上焊點和散熱片溫度係數。功率 MOSFET 的 R_θJA 可以比 R_θJC 大 10 倍。控制 MOSFET 封裝 (外殼) 溫度 (T_C) 是關鍵考量之一 (圖 3)。這表示在為功率 MOSFET 開發熱管理解決方案時，電路板佈局和散熱等因素非常重要。MOSFET 產生的幾乎所有熱量都將由印刷電路板上的銅焊盤／散熱片發散。

圖 3：R_θJA 是熱耗散的關鍵指標，可以比 R_θJC 大 10 倍。(圖片來源：Diodes, Inc.)

汽車標準

若要用於汽車應用，這些元件還必須符合一項以上的產業標準，包括 AEC-Q100、AEC-Q101、PPAP、IATF 16949:2016。AEC-Q100 和 AEC-Q101 是汽車應用使用的半導體元件的可靠性標準。PAPP 是文件和追蹤標準，而 IATF 16949:2016 是基於 ISO 9001 的品質標準。更具體而言：

AEC-Q100 是針對封裝 IC 故障機制的壓力測試，包括四個環境工作溫度範圍或等級：

• 等級 0：-40°C 至 +150°C
• 等級 1：-40°C 至 +125°C
• 等級 2：-40°C 至 +105°C
• 等級 3：-40°C 至 +85°C

AEC-Q101 定義功率 MOSFET 等離散元件的最低壓力測試驅動要求和條件，並規定 -40°C 至 +125°C 的工作溫度。

PPAP 是針對新組件或修訂組件的 18 步驟核准流程。旨在確保組件持續滿足特定要求。PPAP 有五個標準級別，其要求由供應商和客戶協商。

IATF 16949:2016 是基於 ISO 9001 和汽車產業客戶特定要求的汽車品質系統。此標準需要第三方審查人員認證。

雙功率 MOSFET

設計人員可以使用雙 N 通道增強型 FET，達到高效率無刷直流馬達驅動，例如 Diodes Inc. 用於工業應用的 DMTH6010LPD-13​​，以及符合汽車應用 AEC-Q101 標準的 DMTH6010LPDQ-13。這兩個零件均由 PPAP 支援，並在通過 IATF 16949 認證的設施中製造。這些 MOSFET 具有 2615 pF 的低輸入電容值 (C_iss)，可支援快速切換速度，以及 11 mΩ 的低導通電阻 (R_DS(on))，達到高轉換效率，使其適用於高頻、高效率應用。這些元件具有 10 V 閘極驅動，額定工作溫度為 +175°C，採用 5 mm x 6 mm PowerDI5060-8 封裝，含高散熱效果的大型汲極墊 (圖 4)。熱規格包括：

• 穩態 R_θJA 為 53°C/W，元件安裝在具有 2 oz 銅的 FR-4 印刷電路板上，熱通孔通向底層 (含 1 平方英吋銅板)
• R_θJC 為 4°C/W
• 額定溫度為 +175°C

圖 4：DMTH6010LPD-13 和 DMTH6010LPDQ-13 使用 PowerDI5060-8 封裝的大型汲極焊墊支援高散熱。(圖片來源：Diodes, Inc.)

雙 MOSFET 閘極驅動

設計人員可以使用其中一款半橋閘極驅動，驅動雙功率 MOSFET：用於工業應用的 DGD05473FN-7，或符合 AEC-Q100 標準用於汽車系統的 DGD05473FNQ-7。這些驅動由 PPAP 支援，並在 IATF 16949 認證的設施中製造。輸入與 TTL 和 CMOS 位準 (低至 3.3 V) 相容，以簡化與微控制器的連接，浮動高側驅動器的額定電壓為 50 V。保護功能包括 UVLO 和交叉傳導預防邏輯 (再次參見圖 2)。整合式靴帶式二極體有助於將 PC 板空間縮至最小。其他特點包括：

• 20 ns 傳播延遲
• 5 ns 最大延遲匹配
• 1.5 A 流出電流和 2.5 A 流入電流最大驅動電流
• 待機電流低於 1 µA
• AEC-Q100 1 級工作溫度範圍為 -40°C 至 +125°C

散熱和 EMI 考量

使用上述 MOSFET 和驅動器 IC 的電路板佈局最佳做法，應該將緊湊的設計與 MOSFET 的最大實際銅面積相結合，以確保達到最佳散熱效果。緊湊的設計將環路面積降至最低，而較短的接線長度可最大程度降低 EMI 並減少電磁相容性 (EMC) 問題。

為進一步提高 EMC 和熱效能，印刷電路板中應包含實心內部接地層和底部的附加電源層。此外，訊號線應使用單獨的內層。

MOSFET 封裝對熱效能有重大影響。以下三個選項中，PowerDI5060-8、3 mm x 3 mm PowerDI3333-8、2 mm x 2 mm DFN2020-6，其中具有最大汲極墊的 PowerDI5060 支援最高功耗，達到 2.12 W (圖 5)。

圖 5：與兩個較小的封裝相比，PowerDI5060 (藍線) 消耗的功率更多。(圖片來源：Diodes, Inc.)

結論

採用熱效率封裝的雙功率 MOSFET 可與匹配的閘極驅動 IC 結合，為汽車和工業應用生產高效能和緊湊型無刷直流馬達驅動器。這些解決方案可以滿足 AEC、PPAP、IATF 分別涵蓋的可靠性、文件、品質標準。可以在印刷電路板佈局最佳實踐中採用這些元件，有助於設計人員為其無刷直流馬達驅動達到最佳熱效能和 EMC 效能。

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