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DirectFET技术彻底革新大电流无刷电机驱动器的设计

点击率:        发布时间:2018-10-28 16:40:39
        现代无刷直流电机、永磁同步电机很大程度上依靠MOSFET构成3相桥进行驱动。在很多无刷电机应用中,对电流的要求已经超过了100A。要达到这样的输出能力,需要多只MOSFET并联的多相式变换器才能实现,这样就带来了严重的布板拥挤以及功耗等问题。
       使情况变糟的就是持续减小尺寸的趋势。设计者发现越来越难以应付同时来自两个方面的要求:减小电路板面积和改善散热。在改进目前器件的热特性的过程中,标准的SO8封装成为一个很大的障碍------它们很难加装散热器,只能单面散热,所以大部分热不得不通过PCB板散掉。
    然而,国际整流器公司的一项新的技术,即DirectFET,证明在载流能力和运行效率方面比标准的SO8封装显著提高。DirectFET是一项主要为板级功率应用而设计的表贴封装技术。它消除了器件封装中我们不期望的,高电感和阻抗,引起器件热特性和电特性方面问题的一些因素。由于可以双面散热,使用DirectFET器件可以使大电流无刷电机驱动器的电流密度增加一倍而系统成本显著降低。
       图1显示DirectFET封装用于MOSFET芯片。硅片被装入铜外壳,封装的底部是经特殊设计的芯片,源极和漏极是可以直接焊到PCB板的表贴焊盘。硅片上适当的钝化使源极和漏极绝缘,在器件被焊到PCB板上时它也起到阻焊膜的作用,防止短路。此钝化层也保护了管脚防止门极区域污染及潮气。铜壳从芯片的另一侧引出漏极到线路板侧。此封装省掉了传统的管脚框架和引线键合,而这正是封装阻抗的主要根源。同时它还省掉了使大多数SMT封装的热性能受到制约的塑料封装。 
 
                                                           图1. DirectFET MOSFET 焊接到PCB板上的刨面图
       传统的MOSFET使用引线键合来实现硅片和管脚框架之间的电连接,而DirectFET,将接触面的数目和传导路径的长度减到最小从而减小了传导损耗。
        图3显示在目前使用的SMT器件中DirectFET封装提供了最优良的封装阻抗(DFPR)。
 
                                                          图2. SO-8, Cu-strap SO-8 和 DirectFET电流通路比较
 
                                                               图3. 几种SO-8尺寸表贴封装DFPR值的比较
        与典型的含铅的小型封装相比,DirectFET的热阻显著降低。在DirectFET封装里,结到电路板之间的热阻材料只有上面的金属和安装用的焊锡。SO-8的结到PCB的热阻(Rthj-pcb)大约是20°C/Wmax ,而同样尺寸的DirectFET封装只有不到1°C/W 。
        DirectFET封装的顶部金属漏极连接为芯片的结和顶部封装之间提供了一条较低的热阻抗路径使结到壳的热阻只有3°C/W 。这就使得器件的散热方法与以往有很大不同,可以用强迫风冷或导热的填充介质将热传到一个适当接地的散热器上。图4举例说明了这些概念。

       如果用散热器加冷却气流,DirectFET从封装顶部散掉的热量是SO8的两倍半,有效的顶部散热意味器件散发出的热量可以被带离线路板,增加器件安全工作的电流值。
      最先使用DirectFET封装的器件是20 V和30V的同步降压变换器芯片组,用做调整管和同步管(表1)。 
 
                                                                                表1. DirectFET产品参数

        同步管IRF6603的R 的典型值是2mOhm,对于SO8来说这是最好的了。比较IRF7822和IRF6603,我们可以看到R降低了40%,这是由于此封装里较低的DFPR值和较大的芯片尺寸。
        在一个12V输入,1.3V输出,工作频率300kHZ的同步降压变换器中,我们将IRF6603/IRF6604和IRF7822/IRF7811W这两对管子做以比较,它们使用的硅片技术是相同的。负载电流增加时,此变换器电路板的温度不得超过105°C。当电流达到18A时,这是SO8封装在无冷却气流的条件下能够承受的大电流,IRF6603的结温要低50°C。比较DirectFET和SO-8在静止空气无散热器条件下的效率曲线,在18A时前者的效率要高出3%。 

 
图5. 采用DirectFET和SO-8封装的30V器件在一个12V输入, 1.3V输出,工作频率300kHZ的降压变换器中,在多种负载条件下的比较。

如果加装散热器和200LFM的冷却气流可以达到每相35A电流。双面散热的好处显而易见。

以一个每相30A的多相变换器为例,要满足这个电流,用最好的单面散热的SO8封装MOSFET,比如标准的SO-8,无底的SO-8和无铅的SO-8,每相要用五只,而双面散热的DirectFET 只需两只。比较结果元件数减少了60%。

由于DirectFET的结壳热阻低,所以用导热垫将热量从器件传递到系统底盘的做法很有效。这种结构,大量的热从器件的顶部被带走,DirectFET器件就可以布置在线路板上一个较小的区域内。

确实,我们最期望将DirectFET器件安装更紧凑以使它们传到PCB板上的热量最少。只要DirectFET器件上面的导热垫的热阻不大于9°C/W,那么器件顶部的结到环境的热阻将始终比器件底部的结到环境的热阻值的一半还要低,器件的顶部自然就成了主要的导热途径。

为了计算方便,假设单面冷却的器件被限制在0.5 in2 的PCB板内,我们知道设计者往往用到1in2 以尽可能增加SO8的输出电流。DirectFET器件布置在最小的管脚尺寸内。下表给出了论证结果,表明在大电流DC-DC变换器中,双面散热的DirectFET的电流密度能比单面散热的SO8的增加一倍。
 
表2. 在30A/相的变换器中用单面散热的SO-8封装MOSFET,比如标准的 SO-8,无底的SO-8和无铅的SO-8和用双面散热的DirectFET的电流密度比较封装节省系统总成本

采用单面冷却的SO-8方案,设计者考虑散热问题时有一些可选的方法:当每相的电流值达到上限时,他们可以增加相数,而依目前的技术,超过4相是不现实的。而且增加了成本和所占空间。也可考虑热管,加风扇增大冷却气流,更大尺寸的线路板或更多的覆铜。这些方案都将增加系统成本。DirectFET给设计者一个新的选择,既能够满足电路性能,外形尺寸和预算要求,同时省掉50%或更多上面讨论的用于标准的或其它派生的SO-8封装可选散热方案中的花费。DirectFET MOSFET容易布版和并联,可以简化布局减小PCB板寄生损耗(见图六) 
 
                                                                                         图6.DirectFET的布板和并联
        DirectFET封装还可以减小有害的电感,这对于大电流大电流无刷电机驱动电路很重要。DirectFET高仅0.7mm,而SO-8是1.75mm,这对于象笔记本电脑和服务器这样对空间有限制的这方面应用很有优势。DirectFET器件已通过大量的可靠性实验,包括功率循环实验,可以信赖它同标准SO-8一样可靠。这种器件适合现有的大规模生产设备和装配工艺。它是大电流无刷电机驱动器完美的解决方案。