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對更高功率密度的需求推動電動工具創新解決方案

本文作者:Brett Barr       點擊: 2019-05-17 15:02
前言:
電動工具中直流電機的配置已從有刷直流大幅轉向更可靠、更高效的無刷直流(BLDC)解決方案轉變。斬波器配置等典型有刷直流拓撲通常根據雙向開關的使用與否實現一個或兩個功率金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。另一方面,三相BLDC配置需要三個半橋或至少六個場效應管(FET),因此從有刷電流轉向無刷電流意味著全球電動工具FET總區域市場增長了3到6倍(見圖1)。
 

圖1:從有刷拓撲轉換到無刷拓撲意味著FET數量出現了6倍倍增

但BLDC設計在這些FET上提出了新的技術要求。例如,若電路板上FET的數量6倍倍增也意味著驅動電機所需的印刷電路板(PCB)佔用面積增加了6倍,那麼BLDC設計不大可能仍適用於電動工具和園藝工具製造商。電力電子設備通常位於這些工具的手柄中;因此,為適應最小的手部尺寸,應用通常受空間限制的影響極大(參見圖2)。市場需要功率密度更高的解決方案,換言之,就是需要在狹窄空間中處理更多電流的FET。 

圖2:在大多數電動工具中,電子設備都位於手柄中

傳統意義上講,適用於驅動大功率電機的FET其封裝又大又重,如TO-220、DPAK和D2PAK。但像TI的小型無引線封裝(SON)5mm×6mm FET這類最新方形扁平無引線(QFN)封裝可在矽片和源極管腳之間提供更小的封裝電阻。單位面積的電阻較小意味著單位面積的傳導損耗較少,也意味著電流能力和功率密度更高。因此,隨著FET矽單位面積的電阻(RSP)繼續降低(大致相當於過去每代產品的一半),電動工具、園藝工具和家用電器行業的QFN解決方案出現快速增長也就不足為奇了。這些較小的FET現在通常能夠驅動高達30A或更高的直流電機電流;即使對於功率更高的設計,並行採用多個QFN有時更適用於更大的封裝。畢竟,兩個5mm×6mm的器件在60mm2的總PCB面積中仍只相當於佔用一個D2PAK的一小部分尺寸,D2PAK在總PCB空間上約為10mm×15mm,即150mm2(見圖3)。
 

圖3:半橋所需的PCB空間(未按比例畫出)

TI最近通過將兩個FET縱向集成到單一封裝中,將這一趨勢歸結為邏輯結論,在一個SON 5mm×6mm的功率模組中提供整個半橋。40V CSD88584Q5DC和 60V CSD88599Q5DC採用與德州儀器低電壓功率模組相同的堆疊裸片技術,用於高頻電源應用,同時採用了優化的矽片,以減少大電流電機驅動應用的傳導損耗。除減小在PCB上並排兩個FET所帶來的寄生電感外,縱向集成兩個FET可在同一封裝中容納更多的矽,從而實現比分立QFN器件更高的功率密度。

這些器件還具有帶裸露金屬頂部的耐熱增強型DualCool™封裝。因此,儘管仍存在一些情況,使得電動工具製造商可能更傾向於使用TO-220 FET來表面貼裝FET,因為這些FET可安裝在大型散熱器上以將熱量從PCB排出,但是這些功率模組採用QFN封裝提供了同樣的好處。例如,即使在最理想的熱環境中,通常也不鼓勵在典型的5mm×6mm的QFN中耗散3W以上的功率。但是通過適當地使用散熱器,這些DualCool器件可以應對6W或更多的功耗,功率密度翻了一倍,而PCB佔用面積減少了一半。
如今,在電動工具、園林工具及電池供電的家用電器中推出更受歡迎的BLDC電機時,功率密度就成為最重要的因素。TI新型功率模組解決方案可在前所未有的水準上實現這一目標。
其他資源
• 有關這些新功率模組的更多資訊,請查看採用40V CSD88584Q5DC的18V/1kW,160A峰值,效率高於98%的高功率密度無刷電機驅動器參考設計。
• 採用60V CSD88599Q5DC和DRV8323R柵極驅動器的DRV8323RH三相智慧柵極驅動器評估模組。
• 查看博客,瞭解無刷柵極驅動器設計的基礎知識。
 

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