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如何利用模块电源提高电动工具的性能

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2020-08-10

在电动工具、 园艺工具和吸尘器等家电中,使用低电压(210节)锂离子电池供电的电机驱动,这些工具使用有刷直流(bdc)或三相无刷直流(bldc)电机。bldc电机效率更高、维护少、噪音小、使用寿命更长。驱动电机功率级的最重要的性能要求是尺寸小、效率高、散热性能好、保护可靠、峰值电流承载能力强。小尺寸可实现工具内的功率级的灵活安装、更好的电路板布局性能和低成本设计,高效率可提供最长的电池寿命并减少冷却工作。可靠的操作和保护可延长使用寿命,有助于提高产品声誉。

 

为在两个方向上驱动bdc电机,您需要使用两个半桥(四个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet))组成一个全桥。要驱动三相bldc电机,需要使用三个半桥(六个mosfet)组成一个三相逆变器。 使用ti的采用堆叠管芯架构的csd88584q5dc csd88599q5dc模块电源(小型无引线(son),5mm×6mm封装),您可通过两个模块电源和只带三个模块电源的三相bldc电机在两个方向驱动电机,每个模块电源连接两个mosfet(高侧和低侧mosfet),组成一个半桥。如下图所示。

 

功率密度倍增 csd885x功率块中的双重堆叠芯片技术使印刷电路板(pcb)面积达到了之前的两倍,与分立mosfet相比,pcb占地面积减少了50%。与相同性能级别的分立mosfet5mm×6mm)相比,在同一封装中集成两个fet的功率块可让用于逆变器拓扑的三相pcb面积减少90 mm23 x 5mm-6mm)。mosfet互连轨道将与在带分立mosfetpcb中运行,而更高的工作电流也要求更宽的pcb轨迹,因此pcb尺寸的节省值实际上远超90 mm2。大多数无绳电动工具应用至少使用四层pcb,铜厚度大于2盎司。因此,通过模块电源节省pcb尺寸可大大节省pcb成本。

 

具有低寄生效应的清洁mosfet开关如上图所示,为功率级pcb设计中由元件引线和非优化布局引起的寄生电感和电容。这些pcb寄生效应会导致电压振铃,从而导致mosfet上的电压应力。振铃的原因之一是二极管反向恢复,由快速开关引起的高电流变化率可能导致高二极管反向恢复电流。反向恢复电流流经寄生布局电感,由fet电容和寄生电感形成的谐振网络引起相位节点振铃,减少了电压裕度并增加了器件的应力。

 

上图所示为由于电路寄生效应引起的具有分立mosfet的相位节点电压振铃,使用模块电源时,具有连接两个mosfet的开关节点夹将高侧和低侧mosfet之间的寄生电感保持在绝对最小值。在同一封装中使用低侧和高侧fet可最大限度地减少pcb寄生,并减少相节点电压振铃。使用这些模块电源有助于确保平滑的驱动mosfet开关,即使在电流高达50a时也不会出现电压过冲,如下图所示。

 

pcb损耗,pcb寄生电阻降低,功率块有助于减少pcb中高电流承载轨道的长度,从而减少轨道中的功率损耗。让我们了解分立fetpcb轨道要求,顶部和底部分立mosfet之间的pcb轨道连接导致pcb中的i2r损耗。

 

上图所示为将顶部和底部分立mosfet并排连接时的铜轨道,这是可将电机绕组连轻松连接到pcb的常见布局之一。连接相位节点的铜面积的长度为宽度的两倍(轨道宽度取决于电流,轨道宽度通常受电路板的外形尺寸限制)。或者您可以上下排列顶侧和底侧分立mosfet,保持在相位节点之间。但是由于需要提供将电机绕组连接到相位节点,您可能无法减少轨道长度,并且这种布置可能不适合所有应用。

 

若设计的pcb铜厚度为2oz70μm),则连接图所示的相位节点的单层pcb轨道将具有约0.24mω的电阻。假设轨道存在于两个pcb平面中,则等效pcb电阻为0.12mω。对于三相功率级,您有三个这样的pcb轨道。您也可对直流电源输入和返回轨道进行类似的分析。模块电源具有单个封装中的顶侧和底侧mosfet,以及通过封装内的金属夹连接的相位节点,可优化寄生电阻,并为布局提供灵活性,并可节省最小的0.51mω的总pcb电阻。

 

卓越的散热性能,双重冷却csd885x模块电源采用dualcool™封装,可在封装顶部实现散热,从而将热量从电路板上散开,提供出色的散热性能,并提高在5mm×6mm封装中的功率。根据数据手册规范,功率块具有1.1°c/w的结到底壳体热阻,和2.1°c/w的结到顶壳体的热阻。您可优化功率块底壳的pcb或功率块的顶盖的散热片的冷却功能。

 

上图所示为在1kw36v三相逆变器pcb36mm×50mm)内使用三个csd88599q5dc双冷60v模块电源测试的顶侧公共散热器(27mm×27mm×23mm)的结果,不带任何气流。在测试期间,散热器和功率块顶壳之间使用具有低热阻抗(rθ<0.5°c / w)的电绝缘热接口。

 

在图中您可看到顶侧冷却的有效性,其中pcb上观察到的最大温度(功率块底壳之下)与散热器温度之间的差异小于11°c。热量传导良好,并通过模块电源的顶部冷却金属焊盘分配到顶侧散热器。顶侧和底侧fet之间的热量共享,在单相或三相逆变器中,顶侧和底侧mosfet的损耗可能不同。这些损耗通常取决于脉宽调制拓扑的类型和工作占空比,不同的损耗导致顶侧和底侧mosfet的加热不同。

 

在系统设计中使用分立mosfet时,可以尝试这些不同的方法来平衡顶侧和底侧fet之间的温度,为mosfet使用不同的冷却区域,并为具有更大损耗的mosfet提供更多的pcb铜面积或散热器。根据其额定电流,为顶侧和底侧的mosfet使用不同的器件。例如您可使用具有较小导通状态导通电阻(r ds_on)的器件,用于承载更多电流的mosfet。当mosfet变热时,这些方法不会提供最佳冷却,这取决于工作占空比,导致pcb面积或mosfet额定值利用不足。使用功率块mosfet,其中顶侧和底侧mosfet处于同一封装中,从而实现顶侧和底侧mosfet之间的自动热共享,并提供更好的热性能和优化的系统性能。

 

系统成本低,可通过在设计中使用功率块mosfet来优化系统成本。如果文中所述的所有优势均达成的话,即可降低成本。一半的2024欧洲杯官网的解决方案尺寸,大大降低pcb成本。低寄生效应可实现更可靠的2024欧洲杯官网的解决方案,其具有更长的寿命且维护少。 降低pcb轨道长度会降低pcb电阻,从而通过较小的散热器降低损耗,提高效率。卓越的热性能可提高冷却效果,mosfet功率块有助于实现更可靠、更小尺寸、高效率和具有成本竞争力的系统2024欧洲杯官网的解决方案。


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