提升汽车应用中无刷直流(BLDC)电机控制器的散热性能

 无刷直流 (BLDC) 电机的特性为高效率，能以高速运转并且易于控制，因此逐渐普遍用于汽车应用中，包括防抱死制动系统 (ABS)、动力转向，以及电动车和混合动力车。然而在汽车环境中空间受限的情况下，散热不良导致的高温可能会对附近元器件的性能产生负面影响。在 BLDC 电机产品应用中，车用子系统的设计者不断寻找并思考如何降低耗散功率和发热量，并且精心设计控制器电路板以实现更高效率。本文快速回顾 BLDC 电机的构造和工作方式，讨论控制速度和位置所采用的不同换向(Commutation)方式，然后展示两种控制电路板上的散热测量结果，这两种控制电路板旨在解决汽车产业应用中的发热问题。
 
BLDC 电机类型

BLDC 电机有两个主要组成部分：转子(Rotor)和定子(Stator)。不同于有刷直流电机的线圈固定在转子上，BLDC 电机的线圈绕组固定在定子上。电线会缠绕在叠压钢片上，形成定子线圈。转子包括能够交换磁极的永久磁铁，沿着转轴旋转。BLDC 电机中最常见的两种类型为单相和三相电机 (定子绕组数量决定相数)。然而单相电机仅能沿一个方向旋转；其简单的构造包含一组绕制在四个定子架上的定子线圈，当线圈通电时产生两对电磁极。三相电机的定子中有三个星形连接线圈，因此可以顺时钟和逆时钟旋转。相较于单相电机通常体积更大且成本更高，但是更易于控制且更顺畅工作。BLDC 电机中的磁极配对是指定子的电磁极或转子的磁极。
 

图 1单相 (左) 和三相 (右) BLDC 电机的构造

 
最简单的三相 BLDC 电机在定子上有三个磁极配对，转子上有两个以上磁极 (取决于何种应用)。磁极数量会影响电机性能；磁极越多导致单圈的切换周期越长，因为转子和定子的磁场之间夹 90°角时能够产生最大扭矩。因此，增加磁极数量能够提高扭力，但是会降低电机的最高转速。由于 BLDC 电机在转子和定子之间没有接触 (有刷电机需要接触)，因此不会因磨损产生损耗，这代表更长的维护周期，使用寿命也更长。由于是在定子上散热 (而非转子上)，因此散热表现也更好。这些优点使 BLDC 电机更可靠；这也正是汽车产业应用中使用电机的最关键要素。
 
BLDC 电机换向

BLDC 电机中的线圈处于静止状态，因此不需要机械换向 (就像有刷电机所采用的)。无刷电机通过微控制器和六个半导体晶体管开关进行换向 (图 2)。
 

图 2三相 BLDC 桥式配置

 
电子换向需要按照一系列步骤实现，电流从外部电机驱动器，按顺序输送到每个相位的线圈上。转子上的磁铁和通电的定子线圈间的磁相互作用可产生所需的旋转。三相电机中，电流通过共同节点进入一个线圈，然后再进入另一个线圈，剩下第三个线圈处于闲置状态。如此一来，当转子磁极与定子上的电磁极相反时就会断电。然后下一个相位通电，让它继续旋转。为了使线圈在正确的时间通电，关键在于感测转子与各个定子之间的相对位置。这称为位置反馈，可以使用电流感测电阻实现，而更常见的方式是使用磁性霍尔效应传感器；在三个定子上的适当位置放置传感器 (电机内部)，每个相隔 120°。当磁极就位时，这些传感器产生数字信号 (「0」或「1」)，其中包含对应于不同转子位置的多个二进制组合 (图 3)。向微控制器提供二进制代码，就能以正确的顺序切换六个 MOSFET。
 

图 3使用霍尔效应传感器对 BLDC 换向所产生的二进制模式。

 
MOSFET 通常用作为换向开关。除了栅极驱动器以外，MOSFET 也是电机控制器电路板上的发热来源并散热在电路板上。重要的是，使用散热性能良好的器件，并且通过测量工作期间电路板的温度来了解产生的热量。向车用子系统设计者提供这项信息，可以协助他们设计合适的设备外壳。
 
 
测量电机控制器的散热性能

为了解决散热问题，Diodes 公司开发出两款BLDC 电机控制器开发印刷电路板 (PCB)，包含六个 DMTH6010LPDQ 、双 MOSFET (符合 AEC-101 标准) 和 DGD05473FNQ 栅极驱动器 IC (符合 AEC-Q100 标准)。DDB094R2 开发板有一个用于安全监控的电流感测电阻，以及用于换向的三个霍尔效应传感器。为了评估电路板的温度变化，使用热像仪测量开关 MOSFET 的表面温度，以及室温 (25°C) 下 PCB 的散热情况。当DDB094R2 连接到一个 77W (输入功率) 的 BLDC 电机 (24V、3.2A)时， MOSFET 表面温度为 75°C ，这相较于允许达到的150°C最高工作温度还有相当大的距离 (图 4)。
 

图 4DDB094R2 电机控制器开发板驱动 77W BLDC 时的热成像

 
DDB099 开发板包括三个电流感测电阻 (每相一个) 和三个霍尔效应传感器，两种换向方式都可以实现。由于表面积更大，该电路板的散热性能预计会更优异。在上述相同条件下进行测试，MOSFET 表面测得的温度仅为 33°C，和允许达到的 175°C 最高温度相差甚远。将输入功率提升至 120W (24V、5A)，MOSFET 的表面温度也仅升高至 40°C (图 5)。
 

 

图 5DDB099 电机控制器示范电路板驱动 77W BLDC 时的热影像

 
通过使用以下元器件，DDB099 能够根据不同电压产品应用发挥出最佳性能：
 

 
结论


BLDC 电机因其可靠性和易控性，逐渐普及于汽车应用。无刷电机效率高于有刷电机，而BLDC 电机控制器电路还可以进一步提高效率，进而降低发热损耗。本文介绍了 BLDC 电机控制器的散热性能，这些控制器使用了Diodes 公司生产的各种开关和符合汽车规格的 MOSFET 和栅极驱动器 IC，是汽车产业应用中的极佳选择。