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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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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Messung der Verluste

Danach wurde mithilfe einer vereinfachten Implementierung eine experimentelle Charakterisierung der thermischen Eigenschaften des EvalSTDrive101 vorgenommen.

Ein Faktor, der sich auf die Qualität der Simulationsergebnisse auswirkt, ist die Genauigkeit der Daten zur Verlustleistung in den einzelnen Bauelementen der Leistungsstufe. Diese Daten wurden für die MOSFETs und die Shunt-Widerstände mit einfachen Formeln, also mithilfe von Näherungen, ermittelt. Deshalb wurden Messungen an der Leiterplatte vorgenommen, um Aussagen über den F

hler beim Quantifizieren der Verlustleistung zu bekommen. Tabelle 2 zeigt die Messergebnisse bei Umgebungstemperatur und im heißen Zustand, nachdem die Leistungsstufe einen statischen Zustand angenommen hat. Ebenfalls angegeben ist die zuvor per Formel errechnete Gesamt-Verlustleistung des Boards.
Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Messungen und dem Schätzwert, der mit den eingeführten Näherungen im Einklang steht. Die Formel ergibt eine Überschätzung des Messwertes bei Zimmertemperatur um 1,5 Prozent, während der gemessene Wert im heißen Zustand um rund 3,9 Prozent unterschätzt wird. Dieses Resultat lässt sich durch die Variabilität des Einschaltwiderstands der MOSFETs und der Shunt-Widerstände erklären, da bei den Berechnungen die jeweiligen Nennwerte angesetzt wurden. Wie erwartet lagen alle Verlustleistungen im heißen Zustand aufgrund der höheren Widerstände der Spulen und der MOSFETs über jenen bei Zimmertemperatur. Dass die Verlustleistungen bei den drei Ausgängen unterschiedlich sind, ist auf das Ungleichgewicht der dreiphasigen Last wegen der geringfügig differierenden L- und R-Werte der drei Spulen zurückzuführen. Dieser Effekt spielt nur eine untergeordnete Rolle, da die beobachteten Unterschiede geringer sind als die Abweichung zwischen Mess- und Schätzwert.

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Gleichzeitig wurden während des Experiments Wärmebildaufnahmen der Leiterplatte gemacht. In Bild 6 ist die anhand der Temperaturmarker ermittelte Erwärmung der Leiterplatte zu sehen, während aus Bild 7 die finalen Temperaturen auf der Leiterplatte hervorgehen. Die Messung ergab, dass der MOSFET Q1 mit einer Temperatur von 93,8 °C das heißeste Bauelement auf der gesamten Leiterplatte war, während der MOSFET Q4 und der Widerstand R23 auf Werte von 91,7 °C bzw. 82,6 °C kamen. Wie oben erwähnt, hatte die Simulation mit Celsius für den MOSFET Q1 eine Temperatur von 94,06 °C, für den MOSFET Q4 eine Temperatur von 93,99 °C und für den Widerstand R23 eine Temperatur von 85,58 °C ergeben; also stimmen hier auch Mess- und Schätzwerte sehr gut überein. Auch beim zeitlichen Ablauf der Erwärmung tritt eine Übereinstimmung auf (Vergleich Bild 5 und Bild 6).

Zusammenfassung

Das Evaluation Board EvalSTDrive101 von STMicroelectronics wurde mithilfe des Thermal Solver Celsius von Cadence entwickelt. Die Leiterplatte ist für die Ansteuerung bürstenloser Dreiphasen-Motoren mit niedriger Spannung und hoher Leistung in batteriebetriebenen Anwendungen vorgesehen. Das System enthält eine kompakte, nur 50 cm2 messende Leistungsstufe, die den Motor ohne Kühlkörper oder zusätzliche Kühlmaßnahmen mit bis zu 15 A RMS bestromen kann.