Cómo optimizar el rendimiento térmico de los motores BLDC en entornos difíciles

Los motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) se utilizan cada vez más en condiciones térmicas exigentes en entornos de automoción, como los vehículos eléctricos (VE), y en aplicaciones industriales, como la robótica y los equipos de fabricación. Para los diseñadores, la gestión térmica eficaz es una consideración clave para garantizar el funcionamiento fiable de los accionamientos de motores BLDC. Para ello, deben prestar especial atención a los MOSFET de potencia y a los CI controladores de compuerta en lo que respecta a la frecuencia de conmutación, la eficiencia, el intervalo de temperaturas de funcionamiento y el factor de forma, al tiempo que se aseguran de que cumplen cualificaciones como la norma AEC-Q101, el proceso de aprobación de piezas de producción (PPAP) y la norma 16949:2016 del Grupo de Trabajo Internacional de Automoción (IATF) , cuando proceda.

Además, los controladores de compuerta deben ser compatibles con los niveles de voltaje transistor-transistor-lógico (TTL) y CMOS estándar para simplificar la interconexión con los microcontroladores (MCU). También deben ser capaces de proteger a los MOSFET de diversas condiciones de fallo y deben tener retardos de propagación bien ajustados para soportar un funcionamiento eficaz a alta frecuencia.

Para satisfacer estas necesidades, los diseñadores pueden emparejar MOSFET duales de modo de mejora de canal N con CI controladores de compuerta de alta frecuencia para producir soluciones compactas y eficientes.

Este artículo comienza con una descripción general de las consideraciones de gestión térmica al diseñar accionamientos de motores BLDC y, a continuación, resume brevemente los requisitos de AEC-Q101, PPAP e IATF 16949:2016. A continuación, se presentan ejemplos de MOSFET de modo de mejora de canal N dual de alto rendimiento y CI de controlador de compuerta coincidentes de Diodes, Inc, que son adecuados para sistemas de accionamiento de motores BLDC de automoción e industriales. El artículo concluye con un análisis de las consideraciones relativas al diseño de placas de PC para circuitos de accionamiento BLDC, incluida la minimización de las interferencias electromagnéticas (EMI) y la optimización del rendimiento térmico.

BLDC y conmutación

La principal diferencia entre los BLDC y los motores con escobillas es que los BLDC necesitan una unidad de microcontrolador para lograr la conmutación. Para ello es necesario poder detectar la posición de rotación del rotor. La detección de la posición puede realizarse mediante resistencias de detección de corriente o sensores de efecto Hall. La colocación de sensores de efecto Hall en el interior del motor -separados 120°- es una forma común, precisa y eficaz de implementar la detección de posición.

El método consiste en utilizar una configuración en puente de seis MOSFET de potencia para accionar un motor BLDC trifásico. Los sensores de efecto Hall producen señales digitales que la unidad de microcontrolador utiliza para determinar la posición del motor y, a continuación, producen las señales de accionamiento para conmutar los MOSFET en la secuencia requerida y a la velocidad deseada para controlar el funcionamiento del motor (Figura 1). La controlabilidad es una de las principales ventajas de los motores BLDC.

Figura 1: En un motor BLDC trifásico, tres sensores de efecto Hall proporcionan la información de posición necesaria para controlar la conmutación de los seis MOSFET de potencia. (Fuente de la imagen: Diodes, Inc.)

Retardo de propagación

Las señales de control producidas por la MCU son demasiado débiles para accionar directamente los MOSFET de potencia, por lo que se utiliza un CI controlador de puerta para amplificar las señales de la MCU. Sin embargo, la introducción del CI controlador de compuerta también introduce cierto retardo en la propagación de las señales de control. Además, los dos canales de un controlador de compuerta de medio puente tienen tiempos de respuesta ligeramente diferentes que dan lugar a una distorsión de retardo de propagación. En el peor de los casos, el interruptor del lado de alta puede encenderse antes de que el interruptor del lado de baja esté completamente apagado, con lo que ambos interruptores conducen al mismo tiempo. Si esto ocurre, se producirá un cortocircuito y el accionamiento del motor o el motor pueden resultar dañados o destruidos.

Hay un par de formas de solucionar los problemas de retardo por propagación. Una de ellas consiste en utilizar una unidad de microcontrolador rápida que pueda reaccionar con la rapidez suficiente para compensar el retardo de propagación. Dos problemas potenciales de este enfoque son que requiere una unidad de microcontrolador más cara y que la unidad de microcontrolador introduce una banda de tiempo muerto en el proceso de conmutación para garantizar que los dos interruptores nunca estén encendidos al mismo tiempo. Este tiempo muerto retrasa todo el proceso de conmutación.

La alternativa preferida en la mayoría de las aplicaciones es utilizar un controlador de compuerta con un retardo de propagación corto. Los CI controladores de compuerta de alto rendimiento también incluyen lógica de prevención de conducción cruzada para mejorar aún más la fiabilidad del sistema (Figura 2).

Figura 2: Los CI de controladores de compuerta de alto rendimiento incluyen lógica de prevención de conducción cruzada (centro izquierda), además de tener retardos de propagación mínimos. (Fuente de la imagen: Diodes, Inc.)

Mantener la calma

El accionamiento seguro y preciso de los MOSFET de potencia es fundamental para el funcionamiento fiable de los motores BLDC, al igual que mantener fríos los MOSFET de potencia. Dos especificaciones importantes relacionadas con la gestión térmica de los semiconductores de potencia son la resistencia térmica entre la unión y la carcasa (_RθJC) y la resistencia térmica entre la unión y el ambiente (_RθJA). Ambos se expresan en grados Celsius por vatio (°C/W). R_θJC es específico para cada dispositivo y envase. Es una cantidad fija que depende de factores como el tamaño del molde, el material de fijación y las características térmicas del encapsulado.

R_θJA es un concepto más amplio: incluye R_θJC más los coeficientes de temperatura de la junta estañosoldada y del disipador térmico. Para los MOSFET de potencia, R_θJA puede ser 10 veces mayor que R_θJC. Mantener bajo control la temperatura (T_C) del encapsulado (caja) del MOSFET es una consideración clave (Figura 3). Esto significa que factores como la disposición de la placa y el disipador térmico son muy importantes a la hora de desarrollar una solución de gestión térmica para MOSFET de potencia. Casi todo el calor generado en el MOSFET se disipará a través de la almohadilla de cobre/disipador de calor de la placa de PC.

Figura 3: R_θJA es una medida clave de la disipación térmica y puede ser 10 veces mayor que R_θJC. (Fuente de la imagen: Diodes, Inc.)

Normas de automoción

Para ser utilizados en una aplicación de automoción, los dispositivos también deben cumplir una o más normas industriales, como AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP e IATF 16949:2016. AEC-Q100 y AEC-Q101 son normas de fiabilidad para dispositivos semiconductores utilizados en aplicaciones de automoción. PAPP es una norma de documentación y seguimiento e IATF 16949:2016 es una norma de calidad basada en ISO 9001. Más concretamente:

AEC-Q100 es una prueba de tensión basada en mecanismos de fallo para circuitos integrados empaquetados e incluye cuatro rangos o grados de temperatura ambiente de funcionamiento:

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

La norma AEC-Q101 define los requisitos y condiciones mínimos de las pruebas de estrés para dispositivos discretos como los MOSFET de potencia y especifica un funcionamiento de -40 °C a +125 °C.

El PPAP es un proceso de aprobación en 18 pasos para componentes nuevos o revisados. Está diseñado para garantizar que los componentes cumplan sistemáticamente los requisitos especificados. El PPAP tiene cinco niveles estándar de presentación, y los requisitos se negocian entre el proveedor y el cliente.

IATF 16949:2016 es un sistema de calidad del sector de la automoción basado en la norma ISO 9001 y en los requisitos específicos del cliente del sector de la automoción. Esta norma exige la certificación por parte de un auditor externo.

MOSFET de potencia dobles

Para conseguir un accionamiento eficaz del motor BLDC, los diseñadores pueden utilizar FET duales de modo de mejora de canal N, como el DMTH6010LPD-13 de Diodes Inc. para aplicaciones industriales y el DMTH6010LPDQ-13, que cumple la norma AEC-Q101 para aplicaciones de automoción. Ambas piezas están respaldadas por un PPAP y se fabrican en instalaciones con certificación IATF 16949. Estos MOSFET presentan una baja capacitancia de entrada (C_iss) de 2615 picofaradios (pF) para soportar velocidades de conmutación rápidas, y una baja resistencia de encendido (R_DS(on)) de 11 miliohmios (mΩ) para una alta eficiencia de conversión, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alta frecuencia y alta eficiencia. Los dispositivos tienen un accionamiento de puerta de 10 voltios, están preparados para funcionar a +175 °C y se presentan en un encapsulado PowerDI5060-8 de 5 mm x 6 mm con una gran almohadilla térmica para una disipación térmica elevada (figura 4). Las especificaciones térmicas incluyen:

• R_θJA en estado estacionario de 53 °C/W con el dispositivo montado en una placa de PC FR-4 con 2 onzas (oz) de cobre y con vías térmicas a una capa inferior que comprende una placa cuadrada de cobre de 1 pulgada (in).
• R_θJC de 4 °C/W
• Hasta +175 °C

Figura 4: El DMTH6010LPD-13 y el DMTH6010LPDQ-13 utilizan la gran almohadilla de drenaje de su encapsulado PowerDI5060-8 para soportar una elevada disipación térmica. (Fuente de la imagen: Diodes, Inc.)

Controlador de compuerta MOSFET doble

Para controlar los MOSFET de potencia dual, los diseñadores pueden utilizar cualquiera de los dos controladores de compuerta de medio puente: el DGD05473FN-7 para aplicaciones industriales, o el DGD05473FNQ-7 con certificación AEC-Q100 para sistemas de automoción. Estos controladores también están respaldados por un PPAP y se fabrican en instalaciones con certificación IATF 16949. Las entradas son compatibles con los niveles TTL y CMOS (hasta 3.3 voltios) para simplificar la conexión con una MCU, y el controlador de lado alto flotante tiene una tensión nominal de 50 voltios. Las funciones de protección incluyen UVLO y lógica de prevención de conducción cruzada (véase de nuevo la Figura 2). El diodo de arranque integrado ayuda a minimizar el espacio de la placa de PC. Otras características son:

• 20 nanosegundos (ns) de retardo de propagación
• Retardo máximo de unión de 5 ns
• Corriente de accionamiento máxima de 1.5 amperios (A) de origen y 2.5 A de disipador
• Corriente de espera inferior a 1 microamperio (µA)
• Rango de temperatura de funcionamiento AEC-Q100 grado 1 de -40 °C a +125 °C

Consideraciones térmicas y EMI (interferencia electromagnética)

Las mejores prácticas de diseño de placas utilizando los MOSFET y los CI controladores detallados anteriormente deben combinar un diseño compacto con las mayores áreas prácticas de cobre para los MOSFET a fin de garantizar la mejor disipación térmica posible. El diseño compacto minimizará las áreas de bucle, mientras que las longitudes cortas de cableado minimizarán la EMI y reducirán los problemas de compatibilidad electromagnética (EMC).

Para mejorar aún más la compatibilidad electromagnética y el rendimiento térmico, se debe incluir en la placa de PC un plano de tierra interno sólido y un plano de alimentación adicional en la parte inferior. Además, debe utilizarse una capa interna separada para las líneas de señal.

El encapsulado del MOSFET tiene un gran impacto en el rendimiento térmico. Si se analizan tres opciones, el PowerDI5060-8, el PowerDI3333-8 de 3 mm x 3 mm y el DFN2020-6 de 2 mm x 2 mm, se observa que el PowerDI5060 con la almohadilla de drenaje más grande soporta la mayor disipación de potencia, alcanzando los 2.12 vatios (Figura 5).

Figura 5: La PowerDI5060 (línea azul) disipa más potencia en comparación con los dos paquetes más pequeños. (Fuente de la imagen: Diodes, Inc.)

Conclusión:

Los MOSFET de potencia doble en encapsulados térmicamente eficientes pueden combinarse con CI de accionamiento de puerta compatibles para generar accionamientos de motores BLDC compactos y de alto rendimiento para aplicaciones industriales y de automoción. Estas soluciones pueden cumplir las normas AEC, PPAP e IATF de fiabilidad, documentación y calidad, respectivamente. Mediante el uso de las mejores prácticas de diseño de placas de PC, los dispositivos pueden utilizarse para ayudar a los diseñadores a obtener el mejor rendimiento térmico y EMC para la implementación de su accionamiento de motor BLDC.

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