《電子技術(shù)應(yīng)用》
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對(duì)更高功率密度的需求推動(dòng)電動(dòng)工具創(chuàng)新解決方案

2017-06-14
作者:Brett Barr1

  電動(dòng)工具中直流電機(jī)的優(yōu)先配置已從有刷直流大幅轉(zhuǎn)向更可靠、更有效的無刷直流(BLDC)解決方案。典型的諸如斬波器配置的有刷直流拓?fù)渫ǔ8鶕?jù)雙向開關(guān)的使用(或不使用)實(shí)現(xiàn)一個(gè)或兩個(gè)功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET),。另一方面,,三相BLDC配置需要三個(gè)半橋或至少六個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管(FET),因此從有刷電流轉(zhuǎn)向無刷電流意味著全球電動(dòng)工具FET總區(qū)域市場(chǎng)的3倍到6倍倍增(見圖1),。作為推動(dòng)TI的NexFET?功率MOSFET的一員,我很難抱怨這一市場(chǎng)趨勢(shì)。

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  圖1:從有刷到無刷拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換意味著FET數(shù)量的6倍倍增

  但BLDC設(shè)計(jì)在這些FET上提出了新的技術(shù)要求,。例如,若電路板上FET的數(shù)量6倍倍增也意味著驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的印刷電路板(PCB)占用面積增加了6倍,那么BLDC設(shè)計(jì)不大可能仍適用于電動(dòng)工具和園藝工具制造商,。請(qǐng)記住,,電力電子設(shè)備通常位于這些工具的手柄中;因此,,為適應(yīng)最小的手部尺寸,,應(yīng)用通常極其受到空間限制(參見圖2)。需要更高功率密度的解決方案,,換句話講,,需要可在更小空間中處理更多電流的FET。

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  圖2:在大多數(shù)電動(dòng)工具中,,電子設(shè)備位于手柄中

  傳統(tǒng)意義上講,,適用于驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)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這類更新的方形扁平無引線(QFN)封裝在硅片和源極管腳之間能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(dǎo)損耗較少,,也意味著更高的電流能力和更高的功率密度,。因此,隨著FET硅單位面積的電阻(RSP)繼續(xù)下降(大致相當(dāng)于過去每代產(chǎn)品的一半),,電動(dòng)工具,、園藝工具和家用電器行業(yè)的QFN解決方案增長(zhǎng)迅速也不足為奇了。這些較小的FET現(xiàn)在通常能夠自驅(qū)動(dòng)高達(dá)30A或更高的直流電機(jī)電流,;即使對(duì)于更高功率的設(shè)計(jì),,并行多個(gè)QFN有時(shí)更適用于更大的封裝。畢竟,,兩個(gè)5mm×6mm的器件在60mm2的總PCB面積中仍只相當(dāng)于占用一個(gè)D2PAK的一小部分尺寸,,在總PCB空間大約為10mm×15mm,即150mm2(見圖3),。

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  圖3:半橋所需的PCB空間(未按比例畫出)

  TI最近通過將兩個(gè)FET縱向集成到一個(gè)單一封裝中,,將這一趨勢(shì)歸結(jié)為邏輯結(jié)論,在一個(gè)SON 5mm×6mm以上的功率模塊中提供整個(gè)半橋,。40V CSD88584Q5DC和60V CSD88599Q5DC采用與TI低電壓功率塊相同的堆疊管芯技術(shù),,用于高頻電源應(yīng)用,但采用優(yōu)化的硅片,,以減少大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的傳導(dǎo)損耗,。除最小化在PCB上并排兩個(gè)FET帶來的寄生電感外,縱向集成兩個(gè)FET可在同一封裝中容納更多的硅,,從而實(shí)現(xiàn)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(qiáng)型DualCool?封裝,。因此,盡管仍存在一些情況,,即電動(dòng)工具制造商可能更傾向于使用TO-220 FET來表面貼裝FET,,因?yàn)檫@些FET可安裝在大型散熱器上以將熱量從PCB排出,但是這些功率模塊采用QFN封裝提供了同樣的好處,。例如,,即使在最理想的熱環(huán)境中,通常也不鼓勵(lì)在典型的5mm×6mm的QFN中耗散3W以上的功率,。但是通過適當(dāng)?shù)厥褂蒙崞?,這些DualCool器件可以處理6W或更多的功耗,功率密度翻了一倍,,而PCB占用面積減少了一半,。

  如今,在電動(dòng)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(jī)時(shí),,功率密度就是游戲的代名詞。TI新的功率模塊解決方案可在前所未有的水平上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),。

  其他信息

  ·有關(guān)這些新功率模塊的更多信息,,請(qǐng)查看具有40V CSD88584Q5DC的18V / 1kW,160A峰值,,效率高于98%的高功率密度無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì),。

  ·訂購(gòu)具有60V CSD88599Q5DC和DRV8323R柵極驅(qū)動(dòng)器的DRV8323RH三相智能柵極驅(qū)動(dòng)評(píng)估模塊。


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