บอร์ดอินเวอร์เตอร์กำลังสูงแบบรับรู้ความร้อนสำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่

ในปัจจุบันโซลูชันที่ขับเคลื่อนมอเตอร์ด้วยพลังงานจากแบตเตอรี่อาจให้พลังงานได้หลายร้อยวัตต์โดยใช้แรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่ต่ำมาก ในโซลูชันดังกล่าว การจัดการกระแสไฟที่ไหลผ่านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับขับมอเตอร์ได้อย่างเหมาะสม ถือเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบโดยรวม แท้จริงแล้วกระแสของมอเตอร์อาจเกินสิบแอมแปร์ ทำให้มีการกระจายพลังงานภายในอินเวอร์เตอร์เพิ่มขึ้น พลังงานที่ไปยังส่วนประกอบอินเวอร์เตอร์มากขึ้นจะส่งผลให้มีอุณหภูมิที่สูงขึ้น ประสิทธิภาพการทำงานลดลง จนถึงการหยุดทำงานทันทีหากเกินค่าพิกัดสูงสุด การเพิ่มประสิทธิภาพในการระบายความร้อนร่วมกับคอมแพคฟอร์มแฟกเตอร์เป็นลักษณะสำคัญในการออกแบบอินเวอร์เตอร์ที่อาจเป็นการซ่อนข้อผิดพลาด หากไม่ได้รับการแก้ไขอย่างเหมาะสม แนวทางแก้ไขปัญหานี้คือการผลิตต้นแบบที่มีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องโดยใช้การตรวจสอบความถูกต้องจากการใช้งานจริง อย่างไรก็ตาม การประเมินทางไฟฟ้าและความร้อนนั้นแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิง และไม่เคยกล่าวถึงผลกระทบทางไฟฟ้าและความร้อนรวมกันในระหว่างการออกแบบ ซึ่งมักจะส่งผลให้มีการทดสอบซ้ำหลายครั้งและใช้เวลานานในการออกสู่ตลาด ปัจจุบันมีวิธีการทางเลือกที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการเพิ่มประสิทธิภาพทางความร้อนและไฟฟ้าของระบบควบคุมมอเตอร์โดยการใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีการจำลองที่ทันสมัย Cadence® Celsius™ Thermal Solver ซอฟต์แวร์จำลองสถานการณ์ด้านไฟฟ้าและความร้อนชั้นนำของอุตสาหกรรมสำหรับการวิเคราะห์ระบบให้การประเมินความแม่นยำและประสิทธิภาพการออกแบบโดยรวมด้านไฟฟ้าและความร้อนในเวลาเพียงไม่กี่นาที STMicroelectronics ผู้ผลิตวงจรรวมควบคุมมอเตอร์อุตสาหกรรมชั้นนำได้ปรับแต่งบอร์ดประเมินผล EvalSTDRIVE101 อย่างละเอียดโดยใช้ Celsius™ ผลลัพธ์ที่ได้คืออินเวอร์เตอร์สำหรับมอเตอร์ไร้แปรงถ่านสามเฟสที่สามารถใช้กระแสไฟฟ้าได้ถึง 15 A_rms ที่ผู้ออกแบบการใช้งานสุดท้ายสามารถใช้อ้างอิงได้ ในบทความนี้เราจะอธิบายขั้นตอนการทำงานที่ช่วยในการผลิต EVALSTDRIVE101 ของ STMicroelectronics ซึ่งช่วยลดขั้นตอนการดำเนินงานที่จำเป็นสำหรับการปรับประสิทธิภาพทางความร้อนให้เหมาะสมที่สุด

EVALSTDRIVE101

EVALSTDRIVE101 พัฒนามาจาก STDRIVE101 ซึ่งเป็นเกตไดร์ฟเวอร์ฮาล์ฟบริดจ์สามตัว 75 V พร้อมการป้องกันที่อยู่ในแพ็คเกจ Quad Flat No-lead (QFN) ขนาด 4x4 มม. เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโซลูชันที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ และมีมอสเฟตกําลัง STL110N10F7 หกตัวจัดเรียงแบบฮาล์ฟบริดจ์สามวงจร Celsius™ ลดความซับซ้อนของกระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพของ EVALSTDRIVE101 เป็นอย่างมาก ทำให้ได้การออกแบบที่กะทัดรัดและเชื่อถือได้ในระยะเวลาอันสั้น ผลการจำลองที่จะกล่าวในภายหลังนั้นถูกนำมาใช้ในการปรับตำแหน่งของส่วนประกอบ ปรับแต่งรูปร่างของระนาบและลายวงจร ปรับเปลี่ยนความหนาของชั้น และเพิ่มหรือลบรูเชื่อมต่อระหว่างชั้นในวงจร (Vias) เพื่อให้ได้อินเวอร์เตอร์ที่พร้อมสำหรับการผลิต เลย์เอาต์ที่ได้รับการปรับอย่างเหมาะสมของ EVALSTDRIVE101 ประกอบด้วยทองแดง 2 ออนซ์สี่ชั้น มีความกว้าง 11.4 ซม. และความสูง 9 ซม. ที่ส่งกระแสไฟฟ้าได้ถึง 15 A_rms ไปยังโหลดโดยใช้แรงดันแบตเตอรี่ 36 V ส่วนที่สำคัญที่สุดของ EVALSTDRIVE101 จากมุมมองด้านความร้อนคือส่วนที่ดำเนินการด้านกำลังไฟฟ้าที่โดยหลักแล้วประกอบด้วยมอสเฟตกำลังไฟฟ้า ตัวต้านทานชันท์ ตัวเก็บประจุบายพาสเซรามิก ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ และคอนเนคเตอร์ เลย์เอาต์ของส่วนนี้ย่อส่วนลงมากจนขนาดบอร์ดโดยรวมเหลือเพียงครึ่งเดียวที่ 50 cm² โดยที่มีการให้ความสนใจเป็นพิเศษในเรื่องการจัดวางและการกำหนดวงจรของมอสเฟต เนื่องจากส่วนประกอบนี้มีผลต่อการสูญเสียพลังงานส่วนใหญ่ระหว่างการทำงานของอินเวอร์เตอร์ พื้นที่ทองแดงของขั้วเดรนของ MOSFET ทั้งหมดถูกขยายให้กว้างสุดบนชั้นบนสุด โดยทำซ้ำและขยายให้มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่จะทำได้ในชั้นอื่น ๆ เพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนไปยังด้านล่างของพื้นผิวบอร์ด ด้วยวิธีนี้พื้นผิวทั้งด้านบนและด้านล่างของบอร์ดจะมีส่วนที่เกิดการกระจายความร้อนโดยการพาความร้อนและการแผ่รังสีตามธรรมชาติ การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและความร้อนระหว่างชั้นต่าง ๆ จะเกิดขึ้นผ่านรูเชื่อมต่อระหว่างชั้นในวงจรที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 มม. ซึ่งช่วยให้อากาศไหลเวียนได้ดีขึ้นและปรับปรุงการระบายความร้อน กริดรูเชื่อมต่อระหว่างชั้นในวงจรจะอยู่ด้านล่างแผ่นสัมผัสของมอสเฟต แต่เส้นผ่านศูนย์กลางจะลดลงเหลือ 0.3 มม. เพื่อป้องกันไม่ให้โลหะบัดกรีไหลย้อนเข้าไปในรู

การประมาณการสูญเสียพลังงาน

รูปที่ 1: ภาพจำลองความหนาแน่นกระแสของชั้นบนสุด (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

รูปที่ 2: ภาพจำลองอุณหภูมิสถานะคงตัวของชั้นบนสุด (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

การปรับปรุงทางความร้อนของ EVALSTDRIVE101 เริ่มต้นจากการประมาณค่าพลังงานที่อินเวอร์เตอร์จะสูญเสียไประหว่างการทำงาน ซึ่งจะเป็นอินพุตเดียวของตัวจำลองความร้อน การสูญเสียของอินเวอร์เตอร์สามารถแบ่งออกเป็นสองส่วนคือส่วนที่เกิดจากผลของจูลภายในลายวงจรของบอร์ดและส่วนที่เกิดจากส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ แม้ว่า Celsius™ สามารถประมาณค่าความหนาแน่นกระแสไฟและความสูญเสียของบอร์ดได้โดยตรงได้อย่างแม่นยำโดยการนำเข้าข้อมูลเลย์เอาต์ แต่ก็จะต้องคำนวณความสูญเสียที่เกิดจากส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ ถึงตัวจำลองวงจรจะให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำมาก แต่ก็ต้องมีการตัดสินใจที่จะใช้สูตรอย่างง่ายเพื่อให้ได้ค่าประมาณที่สมเหตุสมผลของการสูญเสียพลังงาน แม้ว่าจะเป็นการประมาณการก็ตาม อันที่จริงโมเดลทางไฟฟ้าของส่วนประกอบอาจไม่พร้อมใช้จากผู้ผลิต และอาจเป็นการยากหรือไม่สามารถดำเนินการได้ในเริ่มต้น เนื่องจากขาดข้อมูลการสร้างแบบจำลอง ในขณะที่สูตรที่ให้มานั้นใช้ข้อมูลพื้นฐานจากเอกสารข้อมูลเพียงเท่านั้น เมื่อออกจากส่วนทุติยภูมิ การกระจายพลังงานของอินเวอร์เตอร์จะขึ้นอยู่กับการสูญเสียภายในตัวต้านทานชันท์ P_sh และมอสเฟต การสูญเสียเหล่านี้เกิดจากการนำกระแส (Conduction) P_cond, การสวิตช์ (Switching) P_sw, และการตกคร่อมไดโอด (Diode drop) P_dt:

การกระจายพลังงานโดยประมาณมีค่าเท่ากับ 1.303 W สำหรับ MOSFET แต่ละตัว และ 0.281 W สำหรับตัวต้านทานชันท์แต่ละตัว

การจำลองทางความร้อน

Celsius™ ช่วยให้นักออกแบบสามารถจำลองสถานการณ์ต่าง ๆ รวมถึงการวิเคราะห์ทางไฟฟ้าของระบบที่แสดงความหนาแน่นของกระแสในลายวงจรและรูเชื่อมต่อระหว่างชั้นในวงจรตลอดจนแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม การจำลองเหล่านี้ต้องให้นักออกแบบกำหนดลูปกระแสไฟฟ้าที่ต้องการโดยใช้แบบจำลองวงจรของระบบ โมเดลที่ใช้ในแต่ละฮาล์ฟบริดจ์ของ EVALSTDRIVE101 แสดงในรูปที่ 3 ซึ่งประกอบด้วยตัวกำเนิดกระแสไฟฟ้าคงที่สองตัวอยู่ระหว่างขั้วต่อเอาท์พุตและแหล่งจ่ายไฟ และวงจรลัดสามวงจรที่ข้าม MOSFET และตัวต้านทานชันท์ ลูปกระแสไฟ 2 ลูปให้กระแสไฟเฉลี่ยจริงตลอดทั้งรางจ่ายไฟและกราวด์ ในขณะที่กระแสไฟขาออกมีมีค่ามากเกินไปเล็กน้อย ซึ่งเป็นสภาวะการทำงานที่ดีสำหรับการประเมินความทนทานของการออกแบบ รูปที่ 4 และรูปที่ 1 แสดงแรงดันตกคร่อมและความหนาแน่นกระแสของ EVALSTDRIVE101 ด้วยกระแส 15 A_rms แรงดันตกที่สัมพันธ์กับกราวด์อ้างอิงจะแสดงให้เห็นถึงรูปแบบที่ผ่านปรับให้เหมาะสมเป็นพิเศษโดยไม่มีคอขวด และเอาต์พุตที่สมดุลที่ 28mV, 25mV และ 23mV สำหรับ U, V และ W โดยเอาต์พุต U แสดงค่าแรงดันไฟฟ้าตกสูงสุดในขณะที่เอาต์พุต W คือค่าแรงดันไฟฟ้าตกต่ำสุด เนื่องจากความยาวจากขั้วต่อสายไฟที่สั่นกว่า กระแสกระจายตัวได้ดีในเส้นทางต่างๆ และมีความหนาแน่นเฉลี่ยต่ำกว่า 15 A/mm² ซึ่งเป็นค่าที่แนะนำสำหรับการหาขนาดลายวงจร พื้นที่สีแดงในบริเวณใกล้เคียงกับมอสเฟต ตัวต้านทานชันท์ และขั้วต่อ แสดงถึงความหนาแน่นกระแสไฟที่สูงขึ้น เนื่องจากขั้วของส่วนประกอบมีขนาดเล็กกว่าลายวงจร อย่างไรก็ตามความหนาแน่นกระแสสูงสุดต่ำกว่าขีดจำกัดที่ 50 A/mm² อยู่มาก ซึ่งอาจนำไปสู่ปัญหาความน่าเชื่อถือตามความเป็นจริง

รูปที่ 3: การสร้างแบบจำลองลูปกระแสไฟฟ้า (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

ซอฟต์แวร์จำลองช่วยให้นักออกแบบสามารถตั้งค่าและเรียกใช้การจำลองแบบสภาวะคงที่หรือแบบชั่วคราวได้ แบบสภาวะคงที่จะให้แผนภาพอุณหภูมิ แบบ 2D สำหรับชั้นและส่วนประกอบ ในขณะที่แบบชั่วคราวจะให้แผนภาพการจำลองของแต่ละช่วงเวลาและกราฟความร้อนที่เวลาการจำลองที่นานขึ้น การตั้งค่าที่จำเป็นสำหรับการจำลองสภาวะคงที่สามารถใช้กับการจำลองแบบชั่วคราวได้ แต่จำเป็นต้องนิยามฟังก์ชันการกระจายพลังงานสำหรับส่วนประกอบเพิ่มเติม การจำลองแบบชั่วคราวนั้นเหมาะกับการกำหนดสถานะการทำงานที่แตกต่างกันสำหรับระบบโดยที่แหล่งพลังงานไม่ได้ทำงานพร้อมกัน และเพื่อประเมินเวลาที่จำเป็นในการไปถึงอุณหภูมิในสภาวะคงตัว

รูปที่ 4: จำลองแรงดันไฟฟ้าชั้นในตก (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

การจำลอง EVALSTDRIVE101 ทำได้ที่อุณหภูมิแวดล้อม 28 °C โดยมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนเป็นเงื่อนไขขอบเขตและแบบจำลองความร้อนของตัวต้านทานสองตัวสำหรับอุปกรณ์ โมเดลเหล่านี้ถูกนำมาใช้แทนแบบจำลองความร้อนโดย เช่น Delphi เนื่องจากมีอยู่ในเอกสารข้อมูลของส่วนประกอบโดยตรง แม้ว่าจะมีความแม่นยำในการจำลองเล็กน้อยก็ตาม ผลลัพธ์การจำลองสภาวะคงที่ของ EVALSTDRIVE101 แสดงในรูปที่ 4 และผลลัพธ์การจำลองแบบชั่วคราวในรูปที่ 5 ฟังก์ชันสเต็ปพาวเวอร์ถูกใช้ในการจำลองแบบชั่วคราวเพื่อให้ใช้งานมอสเฟตและตัวต้านทานชันท์ทั้งหมดที่เวลาเท่ากับศูนย์ การจำลองระบุว่าพื้นที่ฮาล์ฟบริดจ์ U เป็นจุดที่มีความร้อนในบอร์ดสูงที่สุด มอสเฟต Q1 (ด้านสูง) อยู่ที่ 94.06 °C ตามด้วยมอสเฟต Q4 (ด้านต่ำ), ตัวต้านทาน R24 และ R23 มีอุณหภูมิ 93.99 °C, 85.34 °C และ 85.58 °C ตามลำดับ

รูปที่ 5: อุณภูมิส่วนประกอบฮาล์ฟบริดจ์ U จากการจำลอง (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

การตั้งค่าคุณลักษณะทางความร้อน

การวิเคราะห์คุณลักษณะเชิงทดลองของประสิทธิภาพทางความร้อนของ EVALSTDRIVE101 ดำเนินการหลังการผลิต แทนที่จะใช้มอเตอร์ที่เชื่อมต่อกับแท่นเบรก แต่พิจารณาใช้แท่นทดสอบที่เทียบเท่า เพื่อความสะดวกในการใช้งานดังแสดงในรูปที่ 6 โดยเชื่อมต่อ EVALSTDRIVE101 กับแผงควบคุมเพื่อสร้างสัญญาณขับเคลื่อนที่จำเป็น และวางไว้ในกล่องพิกซี่กลาสเพื่อให้ระบบระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนโดยไม่มีการไหลของอากาศที่ไม่ต้องการ เหนือกล่องมีกล้องถ่ายภาพความร้อนหนึ่งตัว (รุ่น TVS-200 จาก Nippon Avionics) ซึ่งจับภาพบอร์ดผ่านรูที่ฝาปิด โหลดแบบสามเฟสเชื่อมต่อกับเอาต์พุตของบอร์ด และระบบจ่ายไฟที่ 36 V โหลดประกอบด้วยขดลวดสามขดแบบมีสายในรูปแบบสตาร์เพื่อจำลองมอเตอร์ แต่ละขดลวดมีกระแสอิ่มตัวที่ 30 A ตัวเหนี่ยวนำ 300 µH และความต้านทานแฝงเพียง 25 mΩ ความต้านทานแฝงต่ำช่วยลดผลกระทบจากความร้อนของจูลภายในคอยส์ได้มาก เพื่อรองรับการถ่ายโอนพลังงานแบบไม่มีการสูญเสียระหว่างบอร์ดกับโหลด กระแสรูปคลื่นไซน์สามสัญญาณสร้างขึ้นภายในขดลวดที่ 15 A_rms โดยใช้แรงดันรูปคลื่นไซน์ที่เหมาะสมผ่านบอร์ดควบคุม ด้วยวิธีนี้ ส่วนที่ดำเนินการด้านกำลังไฟฟ้าทำงานในสภาพการทำงานที่ใกล้เคียงกับการใช้งานจริงขับมอเตอร์ขั้นสุดท้าย โดยไม่จำเป็นต้องใช้ลูปควบคุม

รูปที่ 6: การวิเคราะห์คุณลักษณะเชิงความร้อน (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

การวัดค่าการสูญเสียพลังงาน

ปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อคุณภาพของผลการจำลองคือความถูกต้องของข้อมูลของพลังงานที่อุปกรณ์แต่ละเครื่องกระจายไปในส่วนที่ดำเนินการด้านกำลังไฟฟ้า ข้อมูลนี้ได้มาจากการใช้สูตรอย่างง่ายสำหรับทั้งมอสเฟตและตัวต้านทานชันท์ ดังนั้นจึงกล่าวถึงการประมาณการนี้ การวัดค่าบนบอร์ดเพื่อประเมินข้อผิดพลาดในการหาปริมาณพลังงานที่กระจายไป การสูญเสียพลังงาน P_loss ของบอร์ดเป็นค่าความแตกต่างระหว่างกำลังไฟฟ้าเข้า P_in และกำลังที่ส่งไปยังโหลดเอาท์พุททั้งสาม P^U_out, P^V_out และ P^W_out ซึ่งจะวัดโดยใช้ออสซิลโลสโคป (รุ่น HDO6104-MS จาก Teledyne LeCroy) และการนำฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ที่เหมาะสมไปใช้กับสัญญาณรูปคลื่น: ขั้นแรก คำนวณผลคูณของแรงดันและกระแสแบบจุดต่อจุด จากนั้นหากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยในรูปจำนวนเต็มของรอบคลื่นไซน์ ตารางด้านล่างแสดงผลการวัดที่อุณหภูมิแวดล้อมและอยู่ในสถานะร้อนเมื่อส่วนที่ดำเนินการด้านกำลังไฟฟ้าอยู่ในสภาวะคงที่ ค่าโดยรวมของกำลังไฟฟ้าที่สูญเสียไปโดยบอร์ดที่ประเมินไว้ด้วยสูตรก่อนหน้านี้ก็ระบุไว้เช่นกัน

ผลลัพธ์แสดงความตรงกันระหว่างค่าที่วัดได้และค่าประมาณการ ซึ่งสอดคล้องกับการประมาณที่แนะนำ โดยค่าการประมาณการจากสูตรสูงกว่าการวัดที่อุณหภูมิห้อง 1.5% และต่ำกว่าประมาณ 3.9% เมื่อเทียบกับข้อมูลในสภาวะร้อน ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับความแปรปรวนที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานบนของมอสเฟต และตัวต้านทานชันท์ เนื่องจากค่าที่ใช้ในการคำนวณ ค่ากำลังทั้งหมดจะสูงกว่าที่อุณหภูมิห้องตามที่คาดไว้ เนื่องจากค่าความต้านทานของขดลวดและมอสเฟตเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ข้อมูลยังแสดงให้เห็นความแตกต่างระหว่างกำลังที่วัดได้ของเอาต์พุตทั้งสาม ผลกระทบนี้เกิดจากการไม่สมดุลของโหลดสามเฟส เนื่องจากค่า L และ R จากคอยล์ถึงคอยล์ต่างกันเล็กน้อย อย่างไรก็ตามผลกระทบนี้ส่งผลเพียงเล็กน้อย เนื่องจากความคลาดเคลื่อนที่สังเกตได้นั้นต่ำกว่าค่าระหว่างการวัดและการประมาณการ

ผลของอุณหภูมิ

กระแสรูปคลื่นไซน์ในโหลดถูกสร้างขึ้นมาพร้อมกับการถ่ายภาพความร้อนด้วยกล้องถ่ายภาพความร้อน ก่อนหน้านี้กล้องถ่ายภาพความร้อนถูกตั้งค่าให้เก็บภาพความร้อนทุกๆ 15 วินาที โดยเก็บค่าอุณหภูมิสามตัวสำหรับส่วนประกอบ Q1, Q4 และ R23 ในการจับภาพทุกครั้ง ระบบยังคงทำงานอยู่จนกระทั่งถึงสภาวะคงตัวหลังจากผ่านไปประมาณ 25 นาที อุณหภูมิแวดล้อมที่ตรวจพบภายในกล่องเมื่อสิ้นสุดการทดสอบมีค่าประมาณ 28°C รูปที่ 7 แสดงค่าความร้อนชั่วคราวของบอร์ดทั้งสามตำแหน่ง และรูปที่ 8 แสดงอุณหภูมิสุดท้ายบนบอร์ด การวัดแสดงให้เห็นว่ามอสเฟต Q1 เป็นส่วนประกอบที่ร้อนที่สุดในบอร์ดด้วยอุณหภูมิ 93.8°C ในขณะที่มอสเฟต Q4 และตัวต้านทาน R23 มีอุณหภูมิสูงถึง 91.7°C และ 82.6°C ตามลำดับ ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ Celsius™ จำลองอุณหภูมิของมอสเฟต Q1 ไว้ที่ 94.06°C, อุณหภูมิมอสเฟต Q4 ที่ 93.99°C และอุณหภูมิของ R23 ที่ 85.58°C ซึ่งใดล้เคียงกับค่าที่วัดได้เป็นอย่างมาก ความสอดคล้องเดียวกันนี้สามารถพบได้ในค่าคงที่เวลาของความร้อนชั่วขณะ ซึ่งเห็นได้ง่ายจากการเปรียบเทียบระหว่างรูปที่ 5 กับรูปที่ 7 โดยตรง

รูปที่ 7: อุณภูมิส่วนประกอบฮาล์ฟบริดจ์ U ที่วัดได้ (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

รูปที่ 8: อุณหภูมิของชั้นบนในสถานะคงที่ที่วัดได้ (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

บทสรุป

ไม่นานมานี้ STMicroelectronics ได้เปิดตัวบอร์ดประเมินผล EVALSTDRIVE101 ซึ่งได้รับการออกแบบโดยใช้ประโยชน์จาก Cadence® Celsius™ Thermal Solver บอร์ดนี้มีเป้าหมายในการควบคุมมอเตอร์สามเฟสแบบไม่มีแปรงถ่านที่มีกำลังไฟฟ้าสูงและแรงดันต่ำตามความต้องการของการใช้งานที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ประกอบด้วยส่วนที่ดำเนินการด้านกำลังขนาดกะทัดรัด 50 cm² ซึ่งสามารถส่งกระแสไฟฟ้าไปยังมอเตอร์ได้มากกว่า 15 A_rms โดยไม่มีฮีทซิงค์หรือการระบายความร้อนเพิ่มเติม ด้วยการใช้คุณสมบัติการจำลองต่างๆ ที่ฝังอยู่ในโปรแกรมจำลองทางความร้อน ไม่เพียงแต่สามารถคาดการณ์ลักษณะอุณหภูมิของบอร์ดและจุดความร้อนบนส่วนประกอบของส่วนที่ดำเนินการด้านกำลังไฟฟ้าได้เท่านั้น แต่ยังมีคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับแรงดันตกคร่อมและความหนาแน่นกระแสในวงจรได้อีกด้วย ซึ่งอาจจะยุ่งยากหรือไม่สามารถทำได้ในการวัดจากการทดลอง ข้อมูลที่ได้จากการจำลองช่วยให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพเลย์เอาต์ของบอร์ดได้อย่างรวดเร็ว พร้อมทั้งปรับเปลี่ยนตำแหน่งและแก้ไขจุดอ่อนของเลย์เอาต์ตั้งแต่ช่วงเริ่มต้นของการออกแบบไปจนถึงการอนุมัติการผลิต คุณลักษณะทางความร้อนจากกล้องอินฟราเรดแสดงให้เห็นความสอดคล้องกันระหว่างอุณหภูมิจากการจำลองและอุณหภูมิที่วัดได้ในสภาวะคงที่ ตลอดจนลักษณะอุณหภูมิชั่วคราว ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพอันโดดเด่นของบอร์ดและประสิทธิภาพของซอฟต์แวร์จำลองความร้อนเพื่อช่วยให้นักออกแบบลดค่ามาร์จินสำหรับการออกแบบและใช้เวลาน้อยในการออกสู่ตลาด