Тонкости проектирования силовой платы инвертора

    Всем привет! Скромными шагами продолжаю цикл статей про разработку железа электробайка. Начнем с самого интересного — инвертора, который управляет мотором. Хочу подробнее рассказать о тонкостях построения силовой платы и о температурном режиме транзисторов.


    Модель варп ядра электробайка

    Основной проблемой при проектировании платы для больших токов высокой частоты является индуктивность проводников, емкостей, корпусов транзисторов, а точнее возникающих выбросов вследствие ее и необходимости закладывать запас параметров по ключам, что ведет к удорожанию конструкции и увеличению потерь на переключение.

    В процессе работы на индуктивную нагрузку, при разрыве тока происходят выбросы напряжений на ключе, которые равны ∆V=-L(dI/dt), где ∆V — величина изменения напряжения, L — индуктивность, dI/dt — скорость изменения тока (нарастания или уменьшения).

    Возьмем частный случай ШИМ двух фаз, где ток изначально протекает через замкнутый ключ Q2, а потом происходит нарастание тока в цепи мотора через верхний ключ Q1. Ключ Q6 для упрощения постоянно включен.

    Красным направлением обозначен путь начального протекания тока. В момент переключения происходит размыкание ключа Q2, но при этом напряжение на данном ключе уходит в минус на величину падения на паразитном диоде МОП транзистора. Происходит это вследствие того, что индуктивность мотора, в которой запасена энергия, старается «сохранить» свой ток, и создает отрицательное напряжение. Далее начинает включаться ключ Q1, ток постепенно нарастает на индуктивностях L_DC+, L_Q1D, L_Q1S, L_DC. Где L_QnD — индуктивность стока корпуса транзистора, а L_QnS — индуктивность истока, а L_DC — это индуктивность платы. В процессе перехода тока из одной части схемы в другую, транзистор Q2 может внезапно обнаружить на себе напряжение большее, чем подводится по шине питания и установилось на входной емкости.


    Пример коммутации при токе 100А

    Величина этого напряжения будет пропорционально больше скорости переключения. Мы ведь не хотим выделять много тепла на ключах в процессе переключения, поэтому идеальным вариантом считается, когда ключ переключается мгновенно, но такое не достижимо в реальности. Упрощенно говоря, чем быстрее произойдет этот переход, тем меньше активных потерь будет в ключе, но в то же время чем быстрее происходит переход, тем больше будут выбросы напряжений, возникающих на L_DC, L_Q1D, L_Q1S. Еще одним редко упоминаемым, но, пожалуй, наиболее паразитным явлением в данном процессе является заряд диода Q2. Так как между выключением Q2 и включением Q1 имеется задержка, dead time, на диоде Q2 накапливается заряд обратного восстановления, в документации на транзистор указан как Qrr, измеряется в нанокулонах. В процессе включения Q1 возникает сквозной ток, который восстанавливает паразитный диод Q2. Величина этого тока будет тем выше, чем быстрее требуется провести включение Q1 и чем больший ток проходит через транзистор. Отсюда дополнительно возникают выброс напряжения на L_Q2D, L_Q2S. Такое переключение называется «жестким» от англ. hard commutation.

    Если транзистор был выбран без запаса по напряжению, подобный выброс может привести появлению лавинного тока (avalanche), что сильно снизит ресурс жизни транзистора, а при длительном воздействии может и вовсе вывести его из строя.



    В процессе такого переключения могут возникать ВЧ колебания («звон», порядка пары МГц), в их возникновении участвуют индуктивности L_Q(1,2)S и паразитные емкости между затворами транзисторов Q1/2 и их стоком. Так как в обычном корпусе TO220 3pin управляющий сигнал фактически подается через силовую ножку, которая вносит свои помехи. Для решения этой проблемы в силовых сборках-модулях выведен отдельный пин истока для управляющего сигнала, на котором нет силовой наводки. В момент открытия транзистора Q1 ток, начинающий протекать через исток создает падение напряжения на индуктивности исток-ножки транзистора, которе замедляет открытие. Дополнительно этому процессу мешает резкий перепад напряжения, который тоже демпфирует управляющий сигнал на затворе через паразитную емкость. С другой стороны на транзисторе Q2 возникает резкий взлёт напряжения Vds, который тянет за собой затвор на открытие через паразитную емкость между стоком и затвором. Сочетание всех этих факторов приводит к возникновению ВЧ колебаний, борьба с ними производится обычно уменьшением крутизны dI/dt и dVds/dt, но есть свой оптимум между скоростью открытия, потерями на открытие, и потерями на звон транзистора.


    Пример «мягкого» выключения Q1 с видом со стороны Q2.

    Отрицательное напряжение на Vds(1) — индуктивности ножек Q2. На затворе(3) видно только половину от этого выброса, т.к. в данном случае в цепи подключения осциллографа ток меняется только на ножке истока.

    Техники борьбы с паразитной индуктивностью


    Рассмотрим вариант двух проводников одинаковой ширины, но с разным расположением на плате.



    Допустим у нас ширина дорожки 10мм, длина 100мм, и расстояние между ними 0,5мм. Для варианта а взаимная индуктивность получится ~6,3нГн. Для варианта b индуктивность будет равна ~132нГн. Что это значит? Возьмем скорость изменения тока 1.25А/нС, как на скриншоте выше, следуя формуле ∆V=-L(dI/dt), получим изменение напряжение для варианта а ∆V=-6,3нГн*1.25А/нс = 7,8В. Для варианта b это значение будет равно 132нГн*1.25А/нс=165В. Это намного выше нашего напряжения питания! В действительности произойдет пробой, и напряжение упрется в предел напряжения транзистора, а ток потечет через него, несмотря на то, что он закрыт. Поэтому толку от ваших хороших конденсаторов не будет, если они висят на длинных «индуктивностях» :)


    Что здесь могло пойти так?

    Что касается паразитных составляющих корпуса транзистора, с ними особо бороться не получится, максимально короткие ножки до платы, никаких длинных проводов. Высокочастотный звон хорошо шунтируют керамические конденсаторы, их следует располагать непосредственно рядом с ключами по шине питания, но полностью избавится от звона можно, исключив работу паразитного диода транзистора, используя SiC транзисторы или адаптивное управление, но это уже другой ценовой диапазон. Еще одним вариантом уменьшения индуктивности корпуса являются SMD транзисторы, т.н. DirectFet, PowerQFN и подобные. Но у них тоже есть свои недостатки, к ним можно отнести более плохой теплоотвод, сложности компоновки при SMD монтаже и, конечно, цену.

    О теплоотводе


    Так или иначе инвертор в работе будет выделять тепло. Больше тока — больше тепла. Т.к. в моторе ток коротковременно может в разы превышать среднее значение в моменты разгона и торможения, для транзисторов требуется обеспечить нормальный тепловой режим для таких пиков нагрузки. Стандартно для кристалла кремния указывается максимальная температура Tj = 175°С.



    В моменты переключений транзисторов возникают резкие большие выбросы тепла — активные потери. Пассивные потери — это потери на сопротивлении канала сток-исток в открытом состоянии, являются более постоянными по времени и их проще рассчитывать. Для кратковременных тепловых всплесков неплохим буфером тепла выступает сама медная подложка транзистора, еще один минус SMD компонентов — она у них заметно меньше. Тепловое сопротивление от кристалла до корпуса у выбранного мной транзистора 0.57°C/W, это значит, что выделяя он 50 ватт тепла постоянно, образуется градиент температур в 29°С. Для тепловых выбросов также требуется оставить некоторый запас и учесть некоторую задержку на термопару, поэтому итоговым оптимальным значением корпуса транзистора было выбрано 100°С. Возникает вопрос — как долго можно давать максимальны ток до перегрева? Были протестированы разные термоинтерфейсы, даже платы с алюминиевым основанием. По качеству передачи тепла от основания транзистора к радиатору я бы расставил материалы в таком порядке, по убыванию теплопроводности:

    Непосредственный контакт через термопасту

    Подложки из нитрида алюминия + термопаста (2сл)
    Плата с алюминиевым основанием
    
Подложки из оксида алюминия + термопаста (2сл)
    Гибкие подложки из кремнийорганики + термопаста

    Гибкие подложки из кремнийорганики без термопасты


    Непосредственный контакт не наш вариант, так как он не обеспечивает электро изоляции корпуса транзистора от радиатора. С небольшим отрывом от алюминиевой платы шла подложка из оксида алюминия. Нитрид был заметно дороже и менее доступен. По тестам между кремнийорганической подложкой и керамической из оксида алюминия получилась разница почти в 2 раза, по продолжительности полной нагрузки, 1 минута и 30 секунд соответственно. Конечно, данный тест не претендует на высокую научную точность, но при копеечной разнице в цене в два раза дольше «вваливать» на байке? Итоговым выбором, конечно, стала керамика на основе оксида алюминия! Как оказалось, с ней монтаж выполнять даже несколько проще и еще один бонус — изгибание транзистора намного меньше при затяжке винта. Прижим, судя по следу термопасты, всегда был равномерным. Чего нельзя сказать про гибкие подложки.

    При стандартном монтаже на радиатор через ушко, используя винт, кремнийорганическая прокладка имеет свойство сжиматься, что может привести к неравномерному контакту поверхности. Поэтому самым последним пунктом стоит «подложка без термопасты», т.к. она, термопаста, в этом случае несколько компенсировала данный эффект. Конечно в таких случах рекомендуют использовать специальную пружину которая будет прижимать равномерно весь корпус транзистора, но у нас не было возможности разместить таковые чтобы вписаться в габарит.

    Катаясь на китайском контроллере, я часто замечал, что у него была горячая только одна сторона, а вторая оставалась холодной. Поэтому итоговая компоновка силовых ключей была выполнена так, чтобы максимально одинаково прогреть весь корпус. Ключи были установлены с обеих сторон, через небольшой алюминиевый адаптер.

    Эпилог


    В данной статье я описал самые интересные на мой взгляд вещи. Конечно, за кадром остался выбор самого МОП транзистора по его характеристикам, расчет тепловых потерь на кристалле и нагрев электролитических конденсаторов под воздействием пульсирующего тока. В следующей статье затронем схемотехнику устройства, варианты оцифровки тока и реализации защиты по току.

    Eczo.bike

    17,88

    Компания

    Поделиться публикацией

    Похожие публикации

    Комментарии 26
      +4
      Статья, как хороший боевик — держит в «напряжении».
        0
        Отличная публикация! Вопроса: разве типоразмер корпуса транзистора не имеет значение намного большее, чем материал теплоизоляционной прокладки? Насколько я помню, теплопередача сильно зависит от площади контакта поверхностей.
          0
          В данном случае выбор между 1шт TO247 и 2шт TO220 был в пользу второго, т.к. цена первого больше, току меньше, ограничение тока по bond wire больше будет у двух TO220. И высота TO247 никак не устраивает, сильно растет габарит вверх. И, уже не сейчас точно не вспомню, кажется таких хороших параметров по кристаллу у 247 я не нашел.
            0
            Понятно. Насчёт последней картинки в публикации: я в своих усилителях дополнительно жёстко (не пружинным элементом, а пластиной) прижимаю корпус транзистора/ИС в области пластиковой части. Это обеспечивает более плотный прижим фланца в наиболее интересной части, там, где установлен кристалл. К тому же, шлифую фланец: просто диву даёшься, насколько они иногда кривые. После всего этого даже самые дешёвые «силиконовые» прокладки с небольшим количеством пасты работают не хуже керамики. ИМХО, конечно.
              0
              Да, про прижим спец пружинкой я в статье указал.
              У меня именно такие кривые корпуса и попались. Но керамика всёравно рвала как тузик грелку «силикон» своей теплопроводностью 25W/mK
                0
                А Вы всё же попробуйте жёсткий прижим, не пожалеете. Место для М3 между транзисторами есть всегда. Ибо сжатый до 0,1 — 0,05 силикон с термопастой будет всяко лучше 0,3 керамики.
                0
                не шлифованный корпус ещё хорошо режет прокладку
                  0
                  Любой режет. Поэтому я всегда снимаю фаску/скругляю грани фланца после шлифовки.
            0
            что выделяя он 50 ватт тепла постоянно

            у вас каждом транзисторе рассеивается 50W мощности постоянно?

            при расчете паразитных индуктивностей — почему не рассмотреть вариант Б c землей на обратной стороне платы?
              0
              Не постоянно, это коротковременные пиковые нагрузки.

              Тогда получится вариант А =)
              0
              Сколько частота преобразования, достигнутый КПД при разных нагрузках, какие полевики?
              Они бывают сразу с диодами Шоттки внутри.

              Что скажете про наноуглеродные прокладки с теплопроводностью выше меди?
              «Подложка получена путем прессовки и проката графита на связующий материал. Особенностью этих подложек является высокая теплопроводность по поверхности, более 300 Вт/мК»

              Неплохо бы сделать вики-страничку наподобие проекта VESC (vedder.se/2015/01/vesc-open-source-esc/)

              P.S. "аллюминия" в русском языке нет.
                0
                Частоты 10~20кГц, расчетный кпд 97% 3000W 75Vin. Реальный кпд к сожалению не было возможности померять, но разница с китайцами присутствует, не в пользу последних.

                Они, углеродные прокладки, проводят электричество?

                Основная страничка — сайт проекта eczo.bike

                Спасибо, поправил
                  0
                  Они, углеродные прокладки, проводят электричество?

                  1-2 тонких слоя полимерной изоляции делают графит непроводящим. Такой сэндвич 100-150°С температуру выдерживает и >1кВ пробивное напр-е.

                  См. характеристики прокладок панасоник:
                  https://eu.industrial.panasonic.com/products/circuit-thermal-protection/thermal-protection/pyrolytic-graphite-sheet-pgs/series/pgs-graphite-sheetssm/AYA0002

                  У той же фирмы есть оксидно-полупроводниковые кондёры «Oscon» (SXV series, до 100В), способные долго работать в закрытом горячем месте в отличие от применённых вами «попсовых» жидко-электролитных быстросохнущих.

                  Ещё гляньте, как проблему охлаждения полевиков решал инфинеон.
                  Отдельные медные радиаторы без прокладок, подводящие кабели частично отводят тепло с них:

                  http://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/EVAL_SSO8_1KW_BLDC/productType.html?productType=5546d46246d91a1e01471b9f766b1645

                  Минимизация потерь в полевиках с шоттки диодами на примере трёхфазного киловаттного инвертора:
                  http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-WhitePaper_PowerLoss_and_Optimized_MOSFET_Selection_in_BLDC_Motor_Inverter_Designs-ATI-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46253f6505701549f2799aa4b53
                    0
                    Характеристики графита хорошие, только изолятор их резко портит. Там где с изолятором подложки производитель теплопроводность решил умолчать ;)

                    Кондёры крутые, дорогие и корпуса не удобные. Чтобы набрать порядочную емкость придется удорожить электронику раза в два =) Так что «попсовые быстросохнущие» еще поработают. И работают они довольно долго, в телекоммуникационных бп стоят KY серия nippon-chemi-con, отрабатывают лет по 5+ 24/7/365

                    Плата у меня сама почти как медная прокладка, но на них расчитывать не стоит, слишком большой градиент температур набежит.

                      0
                      в телекоммуникационных бп стоят KY
                      В закрытом корпусе без вентиляции? Или у вас тоже вентилятор будет продувать корпус через сменные фильтры?
                      Вы дата-центр с российскими дорогами не путаете случайно?
                      В тойоте приус жидкостное охлаждение инвертора главного привода, т.к. пылища воздушное угробила бы быстро. Главные кондёры — панасоники 3шт толстенные, эксклюзивно-заказные.

                      P.S. А фото горелой платы 2004 года — чей это позор, курсовик студента м.б.?
                      Много частотников и инверторов видел, везде детали впаяны напрямую в массовых изделиях.
                      Может оно без ШИМа, до 400 Гц допустим работало?
                        0
                        В роли «вентилятора» у меня выступает набегающий поток воздуха во время движения. Конечно не дата-центр, согласен. Но и списывать «попсовые» кондёры в утиль не надо. Сделать хорошо — понятное дело, но вопрос цены тоже стоит.

                        Картинка с зарубежного форума endless-sphere от попытки «прокачать» китайскую плату мощными транзисторами.
                +1
                Что посоветуете прочитать по теме? за плечами пока только «силовая электроника» Семенова. Не факт что буду заниматься, но жизнь — вообще малопредсказуемая штука:)
                +2
                Замечание к КДПВ:
                Надо поменять винты на болтики с внутренним или наружным шестигранником. Иначе при выходе из строя одного транзистора надо будет выпаивать всё «плечо».
                Замечание к картинке «деформация теплоотвода от усилия в точке крепления»:
                Это заглавный рисунок из AN1040 от ONsemiconductor (ex. Motorola) «Mounting Considerations for Power Semiconductors».
                  0
                  Спасибо за статью! Очень интересно посмотреть каким образом в конечном итоге вы регулировали время переключения и как еще боролись с выбросами/звоном. Так что ждем продолжение. Больше тонкостей! =)

                  А картинка «мягкого включения» приведена при работе на какую нагрузку? Не верится что с реальным мотором так все может быть гладенько.

                  Еще по КПДВ кажется, что длина выводов у больших емкостей все еще достаточно велика чтобы вызывать проблемы. Я бы их садил прямо попой на плату.
                    0
                    Под током 100А. Нагрузка — мотор.

                    На плате 2 из 5 электролита сидят прямо на плате, для остальных трёх в планах попробовать сделать низкоиндуктивную стойку-плату, если конечно это даст сильный эффект
                    0
                    Уважаемый автор, позвольте пару вопросов, замечаний и предложение
                    1. Вы не рассматривали вариант 120-градусной схемы включения транзисторов? (Когда в любой момент времени открыты либо один, либо два транзистора — так, как в приведенном примере переключения тока). В этом случае можно отказаться от активного ШИМа и уменьшить потери на переключение транзисторов.
                    2. Современные драйверы транзисторов позволяют реализовывать «мягкое закрытие» ключей. Так что жесткое закрытие — не проблема.
                    3. По своему опыту могу предложить еще один вариант организации охлаждения ключей — каждый ключ закрепляется на отдельной медной положке. Которая, в свою очередь, через изолятор крепится на несущий корпус-радиатор. Интерфейс транзистор/медь получается с минимальным тепловым сопротивлением, а сопротивление медь/корпус-радиатор уменьшается за счет большой площади меди.
                    4. При рассмотрении проблем проектирования силовой разводки, кроме учета паразитных индуктивностей и емкостей необходимо учитывать и электромагнитные наводки от проводников с импульсным током. Располагать их перпендикулярно и на значительном расстоянии к плате с чувствительными компонентами.
                    5. Была бы хороша статься с описанием методологии оценки/замеров паразитных индуктивностей.
                      0
                      1) что такое 120 градусная схема? при шим синуса напряжения работают одновременно по 3 фета
                      2) неплохо было бы привести пример
                      3) Да можно, рассматривался такой вариант. Но был откинут т.к. не хотелось усложнять серийную сборку устройства
                      4) Конечно, логика выполнена перпендикулярно основной силе и соеденина в одну точку земли чтобы исключить пробегание по плате земляных токов.
                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                          0
                          Поэтому толку от ваших хороших конденсаторов не будет, если они висят на длинных «индуктивностях» :)
                          А разве это было не очевидно до буха?

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                          Самое читаемое