Тонкощі проектування силової плати інвертора

Привіт! Скромними кроками я продовжую цикл статей про розробку залізної електричної приманки. Почнемо з найцікавішого - інвертора, який управляє двигуном. Я хочу розповісти вам більше про тонкощі побудови силової плати та про температурний режим транзисторів.

Основна модель основної електричної приманки

Основною проблемою при розробці плати для великих високочастотних струмів є індуктивність провідників, конденсаторів, транзисторів, а точніше виникла внаслідок цього випромінювання та необхідність складання параметрів для ключів, що призводить до більш високих витрат і збільшені втрати від перемикання.

У процесі роботи на індуктивному навантаженні при розриві струму виникають стрибки напруги на ключі, які дорівнюють ∆V = -L (dI/dt), де ∆V - величина зміни напруги, L - індуктивність, dI/dt - швидкість зміни струму (зростання або зменшення).

Візьмемо приватний випадок ШІМ з двох фаз, де струм спочатку протікає через замкнутий вимикач Q2, а потім струм накопичується в ланцюзі двигуна через верхній вимикач Q1. Клавіша Q6 для простоти завжди ввімкнена.

Червоний напрямок вказує шлях початкового потоку струму. У момент перемикання ключ Q2 відкривається, але в той же час напруга на цьому ключі падає до мінуса на величину падіння на паразитичному діоді MOSFET. Це пов’язано з тим, що індуктивність двигуна, в якому зберігається енергія, намагається «зберегти» свій струм і створює негативну напругу. Далі клавіша Q1 починає включатися, струм поступово збільшується на індуктивностях L_DC +, L_Q1D, L_Q1S, L_DC. Де L_QnD - індуктивність стоку корпусу транзистора, а L_QnS - індуктивність джерела, а L_DC - індуктивність плати. У процесі переходу струму від однієї частини схеми до іншої транзистор Q2 може раптово виявити на собі напругу, більшу, ніж напруга, подавана через шину живлення і встановлена на вхідній ємності.

Приклад комутації при струмі 100А

Величина цієї напруги буде пропорційно більшою, ніж швидкість перемикання. Ми не хочемо виділяти багато тепла на клавіші в процесі перемикання, тому ідеальний варіант розглядається, коли клавіша миттєво перемикається, але насправді це недосяжно. Простіше кажучи, чим швидше відбувається цей перехід, тим менше активних втрат буде в ключі, але в той же час, чим швидше відбувається перехід, тим більшими будуть стрибки напруги, що виникають при L_DC, L_Q1D, L_Q1S. Іншим рідко згадуваним, але, мабуть, найбільш паразитичним явищем у цьому процесі є заряд діода Q2. Оскільки між вимкненням Q2 і включенням Q1 існує затримка, мертвий час на діоді Q2 накопичує зворотний заряд відновлення, документація для транзистора вказана як Qrr, виміряна в наноколонах. У процесі вмикання Q1 виникає наскрізний струм, який відновлює паразитичний діод Q2. Величина цього струму буде тим вищою, чим швидше потрібно включити Q1 і тим більше струму проходить через транзистор. Це додатково спричиняє імпульсну напругу на L_Q2D, L_Q2S. Такий перемикач з англійської називається “жорсткий”. важка комутація.

Якби транзистор був обраний без запасу напруги, такий сплеск може призвести до струму лавини (лавини), що значно зменшить термін служби транзистора, а при тривалій дії він може повністю його вимкнути.

Приклад "м'якого" вимкнення Q1 з видом з боку Q2.

Негативна напруга на Vds (1) - індуктивність ніжок Q2. На затворі (3) видно лише половину цього виходу, оскільки в цьому випадку в ланцюзі підключення осцилографа сила струму змінюється лише на ніжці джерела.

Методи боротьби з паразитною індуктивністю

Розглянемо варіант двох провідників однакової ширини, але з різним розташуванням на платі.

Припустимо, у нас є ширина колії 10 мм, довжина 100 мм, а відстань між ними 0,5 мм. Для опції а, взаємна індуктивність буде

6,3 нГн. Для опції б, індуктивність буде

132 нГн. Що це означає? Візьмемо поточну швидкість зміни 1,25A/nS, як на скріншоті вище, дотримуючись формули ∆V = -L (dI/dt), ми отримуємо зміну напруги для опції a ∆V = -6,3 нГн * 1,25А/нс = 7,8В. Для опції bце значення становитиме 132 нГн * 1,25 А/нс = 165 В. Це набагато вище, ніж наша напруга живлення! Фактично відбудеться пробій, і напруга буде спиратися на межу напруги транзистора, і струм буде протікати через нього, незважаючи на те, що він закритий. Тому користі від ваших хороших конденсаторів не буде, якщо вони зависають на довгих "індуктивностях":)

Що могло піти так ось ?

Що стосується паразитних компонентів корпусу транзистора, то вони особливо не будуть з ними боротися, як можна коротші ніжки до плати, відсутність довгих проводів. Високочастотні дзвінкі добре керуючі керамічні конденсатори, їх слід розміщувати безпосередньо біля клавіш на шині живлення, але ви можете повністю позбутися дзвону, усунувши паразитний діод транзистора, використовуючи транзистори SiC або адаптивне управління, інший діапазон цін. Ще одним варіантом зменшення індуктивності корпусу є SMD-транзистори, так звані. DirectFet, PowerQFN тощо. Але вони також мають свої недоліки, вони можуть включати гірший тепловідвід, складність планування з установкою SMD і, звичайно, ціну.

Про радіатор

У будь-якому випадку, працюючий інвертор буде виробляти тепло. Більше струму - більше тепла. Оскільки в двигуні струм може ненадовго перевищувати середнє значення в моменти прискорення та уповільнення, для транзисторів потрібно забезпечити нормальні теплові умови для таких піків навантаження. Зазвичай для кристалу кремнію вказується максимальна температура Tj = 175 ° C.

У моменти перемикання транзисторів виникають різкі великі викиди тепло - активних втрат. Пасивні втрати - це втрати опору каналу сток-джерело у відкритому стані, вони є більш постійними в часі і їх легше обчислити. При короткочасних термічних сплесках мідна підкладка самого транзистора виступає як хороший тепловий буфер, ще один мінус SMD-компонентів - вона в них помітно менша. Тепловий опір від кристала до корпусу при обраному транзисторі 0,57 ° C/Вт, це означає, що, виділяючи його постійно 50 Вт тепла, утворюється градієнт температури 29 ° C. Для теплових викидів також потрібно залишити певний запас і врахувати певну затримку на термопарі, отже, остаточним оптимальним значенням корпусу транзистора було обрано 100 ° С. Виникає питання - як довго може максимальний струм подавати перед перегрівом? Випробувані різні теплові інтерфейси, навіть дошки з алюмінієвою основою. Що стосується якості теплопередачі від основи транзистора до випромінювача, я б розмістив матеріали в такому порядку, в порядку спадання теплопровідності:

Прямий контакт через термопасту
Підкладки з нітриду алюмінію + термопаста (2сл) Дошка
з алюмінієвою основою
Підкладки з оксиду алюмінію + термопаста (2сл)
Гнучкі основи з силікону + термопасти
Гнучкі основи з силікону без термопасти

Їдучи на китайському контролері, я часто помічав, що у нього лише одна сторона гаряча, а інша залишається холодною. Тому остаточна схема вимикачів живлення була зроблена таким чином, щоб максимально рівномірно прогріти все тіло. Клавіші встановлювалися з обох боків через невеликий алюмінієвий перехідник.