Bürstenlose Dreiphasen-Motoren

Thermische Optimierung einer Hochleistungs- Leiterplatte

20. November 2022, 13:56 Uhr | Von Prospero Lombardi, Dario Cucchi, Enrico Poli, STMicroelectronics, und Srdjan Djordjevic, Martin Biehl, Melika Roshandell, Cadence
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Bild 1: Modellierung der Stromschleifen
© STMicroelectronics

Batteriebetriebene Motorsteuerungen bringen einige Design-Probleme mit sich, zum Beispiel in Hinblick auf die Optimierung der thermischen Eigenschaften der Leiterplatte. Moderne elektrisch-thermische Simulatoren ändern das.

Es ist heutzutage nicht mehr ungewöhnlich, dass batteriebetriebene Motorsteuerungen mit niedrigen Betriebsspannungen auf Ausgangsleistungen von einigen 100 W kommen. Um den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des gesamten Systems zu gewährleisten, ist es in solchen Anwendungen notwendig, den Stromfluss in der Ansteuerelektronik korrekt zu koordinieren. Die Motorströme können nämlich über den zweistelligen Amperebereich hinausgehen, was eine vermehrte Verlustleistung im Frequenzumrichter zur Folge hat. Wenn in den Bauteilen des Frequenzumrichters mehr Leistung abfällt, führt dies nicht nur zu höheren Temperaturen, sondern es kann auch zu einer Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit oder sogar zum Ausfall kommen, wenn bestimmte Maximalwerte überschritten werden.

Die Optimierung der thermischen Eigenschaften in Verbindung mit einer kompakten Bauform stellt einen wichtigen Aspekt beim Design eines Frequenzumrichters dar, keine einfache Aufgabe. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems war stets das Anfertigen von Prototypen, die anschließend mithilfe von Praxistests nach und nach verfeinert wurden. Allerdings liefen die elektrischen und thermischen Evaluierungen vollständig separat ab, weshalb elektrisch-thermische Kopplungseffekte während des Designs gänzlich unberücksichtigt blieben, was typischerweise mehrere Iterationen erforderlich machte und die Markteinführung entsprechend verzögerte. Inzwischen steht eine alternative Methode zur Verfügung, die effektiver ist und mithilfe moderner Simulationstechnologien die Optimierung der elektrisch-thermischen Eigenschaften von Motorsteuerungssystemen erlaubt. Mit »Celsius« bietet Cadence einen sogenannten Thermal Solver an. Es handelt sich dabei um eine elektrisch-thermische Kosimulations-Software für die Systemanalyse, die in nur wenigen Minuten globale und exakte Aussagen über die Performance eines Designs liefert – und zwar aus elektrischer wie aus thermischer Sicht. STMicroelectronics nutzte Celsius für die Feinabstimmung seines Evaluation Boards EvalSTDrive101. Das Ergebnis ist ein für Treiberströme bis zu 15 A (RMS) geeigneter Frequenzumrichter für bürstenlose Dreiphasen-Motoren, auf den Applikationsdesigner beim Erstellen eigener Entwürfe zurückgreifen können. Im Folgenden wird der Arbeitsablauf beschrieben, der die Einführung des EvalSTDrive101 in die Produktion ermöglichte und mit dem sich der Arbeitsaufwand im Zusammenhang mit der thermischen Optimierung reduzieren ließ.

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Bild 2: Simulierte Stromdichte auf der obersten Lage
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Das Evaluation Board EvalSTDrive101

Grundlage des EvalSTDrive101 ist der Baustein STDrive101, ein für 75 V ausgelegter, dreifacher Halbbrücken-Gate-Treiber, der zusammen mit den entsprechenden Schutzfunktionen in einem 4 mm × 4 mm großen QFN-Gehäuse untergebracht ist und sich gut für batteriebetriebene Systeme eignet. Ergänzt wird dieser Chip durch sechs zu drei Halbbrücken verschalteten Leistungs-MOSFETs vom Typ STL110N10F7. Celsius sorgte für eine deutliche Vereinfachung des Optimierungsprozesses, sodass in kurzer Zeit ein kompaktes und zuverlässiges Design realisiert werden konnte. Wie nachfolgend beschrieben, wurden die Simulationsergebnisse genutzt, um auf iterative Weise die Platzierung der Bauelemente anzupassen, die Formen von Kupferflächen und Leiterbahnen zu verfeinern, die Dicke der Lagen zu modifizieren und Vias zu entfernen oder hinzuzufügen, um letztendlich eine produktionsreife Version des Frequenzumrichters zu erhalten. Die optimierte vierlagige Leiterplatte des EvalSTDrive101 weist eine Kupferkaschierung auf, hat eine Größe von 11,4 cm × 9 cm und kann an 36 V Versorgungsspannung einen Laststrom bis zu 15 A RMS liefern. Der aus thermischer Sicht kritischste Teil des EvalSTDrive101 ist die Leistungsstufe, die im Wesentlichen aus den Leistungs-MOSFETs, den Shunt-Widerständen, den Bypass-Keramikkondensatoren, den Bulk-Elektrolytkondensatoren und den Steckverbindern besteht. Das Layout dieses Teils wurde stark verkleinert, sodass es mit rund 50 cm2 nur etwa die Hälfte der Leiterplattenfläche einnahm. Zu diesem Zweck wurde besonderes Augenmerk auf die Platzierung und das Routing der MOSFETs gerichtet, da auf diese Bauteile der Großteil der während des Betriebs entstehenden Verlustleistung entfällt. Die Kupferflächen der Drain-Anschlüsse sämtlicher MOSFETs wurden auf der obersten Lage maximiert und wo immer möglich auch auf den anderen Lagen wiederholt und ggf. vergrößert, um die Wärmeableitung an die Unterseite der Leiterplatte zu verbessern. So tragen die obere und die untere Leiterplattenlage durch natürliche Konvektion und Abstrahlung effektiv zur Entwärmung der Leiterplatte bei. Zur elektrischen und thermischen Verbindung der verschiedenen Leiterplattenlagen dienen Vias von 0,5 mm Durchmesser, die den Luftstrom begünstigen und die Kühlung verbessern.

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Bild 3: Simulierte Spannungsabfälle auf einer Innenlage
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  1. Thermische Optimierung einer Hochleistungs- Leiterplatte
  2. Abschätzung der Verluste
  3. Thermische Simulationen
  4. Messung der Verluste

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