Genom att analysera termiska prestanda i intelligenta effektmoduler kan man skapa bättre kretskortskonstruktioner. Stefano Ruzza & Marco Palma, International Rectifier, Motion IC Group Europe beskriver hur det går till.

Intelligenta effektmoduler är konstruktörens val för drift av motorer med låg effekt. Det gäller speciellt då kostnads- och platsbudgeten är begränsad.
En ny studie av modulers termiska prestanda under olika driftsförhållanden hjälper konstruktören att noggrant kunna förutse arbetstemperatur och effekt och att optimera kretskortskonstruktionen för tillförlitlighet, kostnad och storlek.

Konstruera med intelligenta moduler
Motorstyrningar i hushållsmaskiner och lätta industrienheter är vanligtvis konstruerade med en intelligent effektmodul som innehåller gate-styrningar byggda med HVIC-teknik, effektswitchar konfigurerade som en halvbrygga eller 3-fasbrygga och skyddskomponenter. Modulen ansluts direkt mellan motorn och processorn med motorstyralgoritm och ersätter så många som 30 eller fler diskreta komponenter beroende på konfiguration. En integrerad lösning med intelligent effektmodul förenklar inte bara konstruktionen, sänker materialkostnaden och sparar kretskortsutrymme utan förbättrar också tillförlitligheten och bidrar till att minska elektromagnetisk interferens (EMI).
I de flesta tillämpningar är modulen avsedd att fungera utan kylfläns. Detta minskar ytterligare materialkostnaden och förenklar monteringen. Man behöver dock vara noga med den termiska konstruktionen för att säkerställa att modulen kan upprätthålla en lämplig stationär temperatur under maximal belastning och göra det möjligt för systemet att uppfylla minimitillförlitlighetsmålen.
IR:s µIPM-moduler används i stor utsträckning för kylflänsfria omriktare i HVAC-utrustning, fläktar, pumpar, kompressorer och frekvensomriktare upp till 150-250 W. Modulerna är kapslade i 12×12 mm eller 8×9 mm stora PQFN-moduler. De är konstruerade för att avleda värme genom stora elektriska kontakter vilka är lödda direkt på kretskortet.
Storleken och tjockleken på kretskortets kopparledningar har stort inflytande på den värme som kan avledas till omgivningen och följaktligen på modulens stationära temperatur. Att underdimensionera dessa ledningar kan äventyra tillförlitligheten, medan överdimensionering kan resultera i större och dyrare lösning än som är absolut nödvändigt.
Genom att utforma ett experiment som mäter stationär temperatur på en µIPM vid olika effektnivåer med olika kretskortskonstruktioner har IR tagit fram en uppsättning temperatur/effekt-kurvor som utgör en korrekt referens för konstruktörer av motorstyrsystem. Dessa kurvor kan hjälpa till att optimera den termiska konstruktion, effekten och modularbetstemperaturen för att möta alla kostnadsramar samt storleks- och tillförlitlighetsbegränsningar i en viss tillämpning.

Plotta IPM-temperatur mot effekt
Låt oss börja med en experimentell uppsättning. Genom att ansluta IPMen så att en känd ström injiceras i de inbyggda dioderna i de två MOSFETarna, som utgör ett inverterben, och variera strömmen så kan man undersöka förhållandet mellan kretskortsmetallisering, modularbetstemperatur och effektförlust. Spänningsfallet över de två dioderna är ekvivalent med spänningsfallet över modulen. Genom att mäta denna spänning kan effektförlusten i modulen beräknas. Kopplingsschemat nedan visar en förenklad version av testuppställningen.

Fig 1. Förenklat kretsschema för att genomföra strömtestet.

En av fördelarna med att använda detta tillvägagångssätt, i stället för att analysera inverteraren under körning med en verklig last, såsom en motor, är dess enkelhet. Experimentet är lätt att koppla upp och kontrollera och man kan eliminera effekter som parasitisk induktans och kapacitans, spännings- och strömspikar och brus.
Syftet med experimentet är att framkalla och mäta temperaturförändring som svar på förändringar i effektutveckling. Metoden med likströmsinjicering ger inte nämnda effekter vilket gör att resultatens noggrannhet inte påverkas.
Termiska prestanda bedömdes med sex olika storlekar och tjocklekar av kretskortsmetallisering. Tabell 1 visar de testade metalliseringsmönstren.

Tabell 1. Experimentet utfördes med kretskortsledare med kopparledartjocklekarna 35 µm (1 oz) och 70 µm (2 oz) i tre olika storlekar.

Resultat
Genom att för varje kretskortskonstruktion variera strömmen som injiceras i de inbyggda dioderna i omriktarens ben och notera testströmmen genom och spänningen över modulen samt modultemperatur och omgivningstemperatur gör att förhållandet mellan effektutveckling, kretskortskonstruktion och driftstemperatur kan åskådliggöras.
Diagrammet i fig 2 plottar temperaturdifferensen mellan modulen och omgivningen (ΔT_c-a) som funktion av effektutvecklingen. Eftersom PQFN-kapseln mycket låg termisk resistans ”junction-to-case”(R_THj-c) på cirka 2,2°C/W, är det rimligt att anta att kapseltemperaturen är lika med junction-temperaturen (T_c = T_j) vid stationära betingelser.

Fig 2. Temepraturdifferens mellan kapsel och omgivning relativt effektutvecklingen för testets metallisringsmönster.

De två horisontella linjerna på ΔT_c-a = 40°C och 70°C visar hur denna graf kan användas för att förutsäga vilken metallisering som krävs för att stödja en viss effektförlust och samtidigt upprätthålla en stationär måltemperatur. Alternativt kan grafen användas för att förutsäga den stationära temperaturen för en given kretskortskonstruktion.
Om modulen skall användas som en del av ett fläktstyrsystem kan fläkten ge en viss kylande effekt på modulen. Detta bör också beaktas vid den termiska utformningen av systemet. För att bedöma prestanda i denna typ av tillämpning var testkortet placerat i en sluten låda och mätt med ett luftflöde på mellan 0,8 till 1,2 m/s på modulytan. Hastigheten på luftflödet mättes med en anemometer. I fig 3 visas prestanda för två kretskortsmetalliseringsmönster, med och utan fläktkylning.

Fig 3. Påverkan av forcerad luftkylning i en fläktstyrningstillämpning.

Termisk kapacitans
Det är ofta önskvärt att kunna förutsäga termiska prestanda för systemet omedelbart efter tillslag till den tidpunkt vid vilken stationär temperaturen är uppnådd. För att bedöma transienta termiska prestanda kan systemet modelleras som ett termiskt motstånd och en termisk kapacitans i serie. Tidskonstanten för systemet kan sedan beräknas så att temperaturen vid någon tidpunkt mellan tillslag och stationärt läge kan förutsägas.
Den provkretskortskonstruktion med den minsta metalliserade ytan påfördes en inducerad ström i ett steg och modulens kapseltemperatur registrerades från det att steget påfördes tills temperaturen blev stabil. Eftersom R_TH-värden vid både den initiala och slutliga temperaturen är kända kan man genom att mäta tidskonstant (Tau) beräkna den termiska kapacitansen C_th. Fig 4 visar den termiska tidskonstanten för hela systemet, från anbringandet av strömsteget tills att stationärt läge uppnåtts.

Fig 4. Systemets termiska beteende vid start har en tidskonstant på flera minuter.

Slutsats
Intelligenta kraftmoduler som används i många motorstyrningar för låg effekt är förpackade i avancerade kapslar som kombinerar hög termisk verkningsgrad med små yttermått. Eftersom modulerna oftast är avsedd att användas utan kylfläns har värmeavledningen från kretskortets ledningar en avgörande inverkan på effekt och tillförlitlighet.
Modellering av stationära termiska prestanda och termisk kapacitans av en experimentell motordrivkrets med hjälp av olika kretskortskonstruktioner har genererat ett antal grafer. Dessa kan användas av ingenjörer för att exakt förutsäga systembeteende och att göra det möjligt att ta fram ännu mer ekonomiska och tillförlitliga lösningar till marknaden.

Filed under: Halvledarteknik