電動工具中三相電機(jī)驅(qū)動器的優(yōu)化熱設(shè)計(jì) - 第 1 部分

每個(gè)人都喜歡電動工具，無論是無繩的還是有線的。無繩工具可以使用有刷或無刷直流 (BLDC) 電機(jī)。但是，無刷電機(jī)效率更高，維護(hù)更少，噪音更低，使用壽命更長。在這個(gè)由兩部分組成的博客系列中，我們將首先討論這些電動工具中使用的三相電機(jī)驅(qū)動器的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識，然后討論可用于您的設(shè)計(jì)的選項(xiàng)。

電動工具對外形尺寸和熱性能有嚴(yán)格的要求。因此，需要體積小、效率高的功率級來驅(qū)動電動工具中使用的 BLDC 電機(jī)。高效率可提供最長的電池續(xù)航時(shí)間并減少冷卻工作。小尺寸可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性，以實(shí)現(xiàn)最佳冷卻效果和靠近電池組的最佳位置，以最大限度地減少承載大電流的連接上的阻抗。

在無繩電動工具中，電池電壓可以在 12V 到 72V 之間變化，具體取決于電池連接。工作電流會很高。例如，使用 36 V 電池運(yùn)行的 1 kW 電動工具將需要 30 A 電流。在低電壓、大電流應(yīng)用中，MOSFET 是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。三相 BLDC 電機(jī)的逆變器由六個(gè) MOSFET 組成。功率級的小尺寸需要小尺寸的 MOSFET，而高效率需要具有低 RDS_ON 的 MOSFET。

例如，NexFET? 功率 MOSFET CSD18540Q5B是一款 60V N 溝道 MOSFET。它具有 1.8mΩ 的低 RDS_ON，并采用非常小的 SON 5×6 mm 封裝，具有 100A 的封裝限制連續(xù)電流額定值和 400A 的峰值電流額定值。通過對這些小型封裝進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)，我們可以使功率部分安全地承載大電流。CSD18540Q5B 數(shù)據(jù)表規(guī)定，這些器件的結(jié)殼熱阻 (R ?JC ) 非常低，為 0.8 o C/W，這是通過將器件安裝在 1 英寸2 (6.45-cm 2)，兩盎司。(0.071 毫米厚)銅焊盤在 1.5 英寸 × 1.5 英寸(3.81 厘米 × 3.81 厘米)、0.06 英寸(1.52 毫米)厚的 FR4 PCB 上。上述測試條件下的結(jié)到環(huán)境熱阻 (R ?JA ) 為 50 o C/W。為了實(shí)現(xiàn)最佳熱設(shè)計(jì)，在計(jì)算結(jié)到環(huán)境熱阻時(shí)，了解封裝的散熱路徑非常重要。

如圖 1(a) 所示，從 MOSFET 結(jié)到環(huán)境的散熱有兩條路徑。第一個(gè)是通過器件和 PCB 的裸露導(dǎo)熱墊從器件的結(jié)點(diǎn)到環(huán)境。第二條路徑從 MOSFET 的結(jié)點(diǎn)通過封裝的頂部塑料表面到達(dá)環(huán)境。

第一條路徑由兩個(gè)熱阻組件組成，(1) 從器件結(jié)到底部裸焊盤的熱阻 (R ?JC ) 和 (2) 從裸焊盤通過 PCB 到環(huán)境的熱阻 (R ?CA )。因此，通過 PCB 從結(jié)到環(huán)境的熱阻，

R ?JCA = R ?JC + R ?CA。

第二條路徑由兩個(gè)熱阻組件組成，(1) 從器件結(jié)到封裝頂部塑料成型的熱阻 (R ?JT ) 和 (2) 從封裝頂部到環(huán)境空氣的熱阻 (R ?TA ) . 因此，通過器件頂面從結(jié)到環(huán)境的熱阻，R ?JTA = R ?JT + R ?TA。.

參數(shù) R ?JC和 R ?JT是設(shè)備封裝的屬性。R ?JC是一個(gè)非常好的封裝熱性能指標(biāo)。具有低 R ?JC的封裝將有良好的熱傳遞到裸露焊盤。對于大多數(shù)設(shè)備，參數(shù) R ?JT可能不會被提及，因?yàn)樗闹低ǔ：芨?。對于CSD18540Q5B，R ?JC為 0.8 o C/W，R ?JT通常約為 12 -15 o C/W。

因此，為了更好的系統(tǒng)級熱設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要降低參數(shù) R ?CA和/或 R ?TA。由于 R ?JC與 R ?JT相比要小得多，因此大部分熱量從器件的裸露銅焊盤傳遞到 PCB。如果我們假設(shè)，設(shè)備頂部沒有散熱器，95% 或更多的熱量傳遞到 PCB，因此熱設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分將通過 PCB 將熱量帶走到環(huán)境中.