在電動汽車 (EV) 等汽車環(huán)境以及機器人和制造設備等工業(yè)應用中，無刷直流 (BLDC) 電機越來越多地用于苛刻的熱條件下。對于設計人員而言，有效的熱管理是確保 BLDC 電機驅動器可靠運行的關鍵考慮因素。為此，他們需要特別注意功率 MOSFET 和柵極驅動器 IC 的開關頻率、效率、工作溫度范圍和外形尺寸，同時確保它們符合 AEC-Q101、生產(chǎn)零件批準流程等資格(PPAP) 和國際汽車特別工作組 (IATF) 標準16949:2016(如適用)。

　　此外，柵極驅動器應與標準晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 和 CMOS 電壓電平兼容，以簡化與微控制器 (MCU) 的接口。它們還需要能夠保護 MOSFET 免受各種故障條件的影響，并且它們需要具有匹配良好的傳播延遲以支持高效的高頻操作。

　　為滿足這些需求，設計人員可以將雙 N 溝道增強型 MOSFET 與高頻柵極驅動器 IC 配對，以生成緊湊、高效的解決方案。

　　本文首先概述設計 BLDC 電機驅動器時的熱管理注意事項，然后簡要總結 AEC-Q101、PPAP 和 IATF 16949:2016 的要求。然后介紹了Diodes, Inc 的高性能雙 N 溝道增強型 MOSFET 和匹配柵極驅動器 IC的示例。適用于汽車和工業(yè) BLDC 電機驅動系統(tǒng)。本文最后討論了 BLDC 驅動電路的印刷電路板布局注意事項，包括電磁干擾 (EMI) 的最小化和熱性能的優(yōu)化。

　　BLDC 和換向

　　BLDC 和有刷電機之間的主要區(qū)別在于 BLDC 需要 MCU 控制來實現(xiàn)換向。這需要能夠檢測轉子的旋轉位置。可以使用電流檢測電阻器或霍爾效應傳感器來完成位置檢測。將霍爾效應傳感器放置在電機內(nèi)部(相隔 120°)是實現(xiàn)位置感測的一種常用、準確且高效的方法。

　　該方法涉及使用六個功率 MOSFET 的橋式配置來驅動三相 BLDC 電機。霍爾效應傳感器產(chǎn)生 MCU 用來確定電機位置的數(shù)字信號，然后產(chǎn)生驅動信號以按所需順序和所需速率切換 MOSFET，從而控制電機運行(圖 1)?？煽匦允鞘褂?BLDC 電機的一個關鍵優(yōu)勢。

　　圖 1：在三相 BLDC 電機中，三個霍爾效應傳感器提供控制六個功率 MOSFET 開關所需的位置信息。 (圖片來源：Diodes, Inc.)

　　處理傳播延遲

　　MCU 產(chǎn)生的控制信號太弱，無法直接驅動功率 MOSFET，因此使用柵極驅動 IC 來放大 MCU 信號。然而，柵極驅動器 IC 的引入也引入了一定量的控制信號傳播延遲。此外，半橋柵極驅動器中的兩個通道的響應時間略有不同，這會導致傳播延遲偏差。在最壞的情況下，高側開關可能在低側開關完全關斷之前導通，導致兩個開關同時導通。如果發(fā)生這種情況，將會發(fā)生短路，電機驅動器或電機可能會損壞或毀壞。

　　有幾種方法可以處理傳播延遲問題。一種涉及使用快速 MCU，該 MCU 可以足夠快地做出反應以補償傳播延遲。該方法的兩個潛在問題是它需要更昂貴的 MCU，并且 MCU 在切換過程中引入了死區(qū)，以確保兩個開關永遠不會同時打開。這個死區(qū)時間延遲了整個開關過程。

　　大多數(shù)應用中的首選替代方案是使用傳播延遲較短的柵極驅動器。高性能柵極驅動器 IC 還包括防止交叉?zhèn)鲗У倪壿嫞赃M一步增強系統(tǒng)可靠性(圖 2)。

　　圖 2：高性能柵極驅動器 IC 除了具有最小的傳播延遲外，還包括防止交叉?zhèn)鲗У倪壿?左中)。 (圖片來源：Diodes, Inc.)

　　保持涼爽

　　功率 MOSFET 的安全和精確驅動對于 BLDC 電機的可靠運行至關重要，保持功率 MOSFET 冷卻也是如此。與功率半導體熱管理相關的兩個重要規(guī)格是結殼熱阻 (R θJC ) 和結至環(huán)境熱阻 (R θJA )。兩者均以每瓦攝氏度 (°C/W) 表示。 R θJC特定于器件和封裝。它是一個固定數(shù)量，取決于芯片尺寸、芯片粘接材料和封裝熱特性等因素。

　　R θJA是一個更廣泛的概念：它包括 R θJC加上焊點和散熱器溫度系數(shù)。對于功率 MOSFET，R θJA可以比 R θJC大 10 倍?？刂芃OSFET 封裝(外殼)溫度 (T C ) 是一個關鍵考慮因素(圖 3)。這意味著在為功率 MOSFET 開發(fā)熱管理解決方案時，電路板布局和散熱等因素非常重要。 MOSFET 中產(chǎn)生的幾乎所有熱量都將通過印刷電路板上的銅焊盤/散熱器散發(fā)出去。

　　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

　　要用于汽車應用，這些設備還必須滿足一項或多項行業(yè)標準，包括 AEC-Q100、AEC-Q101、PPAP 和 IATF 16949:2016。 AEC-Q100 和 AEC-Q101 是汽車應用中使用的半導體設備的可靠性標準。 PAPP 是一個文檔和跟蹤標準，而 IATF 16949:2016 是一個基于 ISO 9001 的質(zhì)量標準。進一步來說：

　　AEC-Q100是針對封裝 IC 的基于故障機制的壓力測試，包括四個環(huán)境工作溫度范圍或等級：

　　0 級：-40°C 至 +150°C

　　1 級：-40°C 至 +125°C

　　2 級：-40°C 至 +105°C

　　3 級：-40°C 至 +85°C

　　AEC-Q101定義了功率 MOSFET 等分立器件的最低壓力測試驅動要求和條件，并規(guī)定了 -40°C 至 +125°C 的工作溫度。

　　PPAP是針對新組件或修訂組件的 18 步批準流程。它旨在確保組件始終滿足特定要求。 PPAP有五個標準級別的提交，要求由供應商和客戶協(xié)商確定。

　　IATF 16949:2016是一個基于 ISO 9001 和汽車行業(yè)客戶特定要求的汽車質(zhì)量體系。該標準要求由第 3方審核員進行認證。

　　雙功率 MOSFET

　　為實現(xiàn)高效的 BLDC 電機驅動，設計人員可以使用雙 N 溝道增強型 FET，例如用于工業(yè)應用的 Diodes Inc. 的DMTH6010LPD-13，以及用于汽車應用的符合 AEC-Q101 標準的DMTH6010LPDQ-13 。這兩個部件均由 PPAP 支持，并在經(jīng)過 IATF 16949 認證的設施中制造。這些 MOSFET 具有 2615 皮法 (pF) 的低輸入電容 (C iss ) 以支持快速開關速度，以及低導通電阻 (R DS(on)) 為 11 毫歐 (mΩ) 以實現(xiàn)高轉換效率，使其適用于高頻、高效應用。這些器件具有 10 伏柵極驅動器，額定工作溫度為 +175°C，采用 5 毫米 (mm) x 6 毫米 PowerDI5060-8 封裝，帶有用于高散熱的大漏極墊(圖 4) .熱規(guī)格包括：

　　穩(wěn)態(tài) R θJA為 53°C/W，器件安裝在帶有 2 盎司 (oz) 銅的 FR-4 印刷電路板上，并通過散熱孔通向包含 1 英寸 (in.) 方形銅板的底層

　　R θJC為 4°C/W

　　額定溫度為 +175°C

　　圖 4：DMTH6010LPD-13 和 DMTH6010LPDQ-13 使用其 PowerDI5060-8 封裝的大漏極墊來支持高散熱。 (圖片來源：Diodes, Inc.)

　　雙 MOSFET 柵極驅動器

　　為了驅動雙功率 MOSFET，設計人員可以使用兩個半橋柵極驅動器中的任何一個：用于工業(yè)應用的DGD05473FN-7，或用于汽車系統(tǒng)的符合 AEC-Q100 標準的DGD05473FNQ-7。這些驅動程序還得到 PPAP 的支持，并在 IATF 16949 認證的設施中制造。輸入與 TTL 和 CMOS 電平(低至 3.3 伏)兼容，以簡化與 MCU 的連接，浮動高側驅動器的額定電壓為 50 伏。保護功能包括 UVLO 和交叉?zhèn)鲗ьA防邏輯(再次參見圖 2)。集成的自舉二極管有助于最大限度地減少 PC 板空間。其他功能包括：

　　20 納秒 (ns) 傳播延遲

　　5 ns 最大延遲匹配

　　1.5 安培 (A) 拉電流和 2.5 A 灌電流最大驅動電流

　　低于 1 微安 (μA) 待機電流

　　AEC-Q100 1 級工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C

　　熱和 EMI 考慮

　　使用上面詳述的 MOSFET 和驅動器 IC 的電路板布局最佳實踐應該將緊湊的設計與 MOSFET 的最大實際銅面積相結合，以確保最佳的散熱效果。緊湊的設計將環(huán)路面積降至最低，而較短的接線長度將最大限度地降低 EMI 并減少電磁兼容性 (EMC) 問題。

　　為進一步提高 EMC 和熱性能，印刷電路板中應包含堅固的內(nèi)部接地層和底部的附加電源層。此外，信號線應使用單獨的內(nèi)層。

　　MOSFET 封裝對熱性能有重大影響。查看三個選項，PowerDI5060-8、3 mm x 3 mm PowerDI3333-8 和 2 mm x 2 mm DFN2020-6，發(fā)現(xiàn)具有最大漏極焊盤的 PowerDI5060 支持最高功耗，達到 2.12 瓦(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

　　采用熱效率封裝的雙功率 MOSFET 可與匹配的柵極驅動 IC 結合，為汽車和工業(yè)應用生產(chǎn)高性能和緊湊型 BLDC 電機驅動器。這些解決方案可以分別滿足 AEC、PPAP 和 IATF 的可靠性、文檔和質(zhì)量標準。使用 PC 板布局最佳實踐，這些設備可用于幫助設計人員為其 BLDC 電機驅動實現(xiàn)實現(xiàn)最佳熱性能和 EMC 性能。