广告

25kW SiC直流快充设计指南 (第八部分):散热管理

2022-06-10 10:55:53 安森美(onsemi) 阅读:
在本系列的前几篇文章中,我们介绍了基于onsemi丰富的SiC功率模块和其他功率器件开发的25kW EV快充系统。在这一章,我们来看看其中的散热管理部分是如何提高效率和可靠性,同时防止系统过早失效的。

在本系列的前几篇文章中[1-7],我们介绍了基于onsemi丰富的SiC功率模块和其他功率器件开发的25kW EV快充系统。在这一章,我们来看看其中的散热管理部分是如何提高效率和可靠性,同时防止系统过早失效的。pAnednc

首先,我们会从开关损耗和散热贴装两个方面来复习一下SiC MOSFET模块相对分立SiC MOSFET的几个优势。其次,我们将描述如何利用散热管理技术和计算来设计散热风扇的安装和其控制系统,以及如何使用SiC功率模块的内置NTC来控制风扇自动为PFC和DC-DC部分降温。最后我们详细了解用于调节风扇转速的PWM-电压转换器的设计,并通过模拟来展示其运行的关键方面和补偿器的设计。pAnednc

单管vs模块

开关损耗

相比SiC MOSFET单管,SiC MOSFET模块的工作效率通常更高,因为其具有更小的寄生效应。举个例子,下表是1200V/20mΩ/TO247-4LD的SiC MOSFET单管NTH4L020N120SC1和SiC MOSFET模块NXH020F120MNF1PTG的对比。pAnednc

pAnednc

表1. SiC MOSFET单管 vs SiC MOSFET模块:开关损耗pAnednc

表1中的参数取自产品的数据手册,它们表明模块具有更低的开关损耗。封装中的寄生电感更低,从而使功率能力更高。因此,对于同样的输出功率,SiC模块可以在更高的开关频率下工作。更高的开关频率操作有助于减少无源元件的尺寸,以及整体设计尺寸。pAnednc

散热贴装

封装在散热管理中起着重要作用。分立MOSFET和模块的散热贴装是不一样的。在分立MOSFET封装中,Die与一块铜垫相连,而这种铜垫从外观看是作为导热层与空气和外部接触的。不过,也可以在MOSFET和散热器之间加入了一种散热介质材料(Thermal Interface Material)或散热化合物,额外的这一层是为了:pAnednc

  • 提高铜垫至散热片的热导率
  • 实现铜垫和散热片之间的电气绝缘

pAnednc

图1. 分立MOSFET的散热贴装示意图pAnednc

SiC MOSFET单管NTH4L020N120SC1的结-壳热阻是0.3℃/W。如果在MOSFET和散热片之间增加一层具有3℃/W热阻的TIM散热层,则参考图3和表2所示,MOSFET和散热片之间的整体热阻提高为3.3℃/W。pAnednc

功率模块的散热贴装与分立MOSFET完全不同。由于模块使用了直接覆铜陶瓷基板(DBC, Direct Bonding Cooper)作为Die的承载体,结-壳热阻已经包含了绝缘层。pAnednc

表1的功率模块NXH020F120MF1PTG预先增加了相变材料散热层(PCM, Phase Change Material),PCM作为填补DBC和散热片的空隙是非常好的选择,因为它能够最大程度上增加接触面积,减少整体热阻,如图2。pAnednc

pAnednc

图2. 功率模块的散热贴装示意图pAnednc

你可以在功率模块NXH020F120MNF1PTG的规格书里找到结-壳热阻和结-散热片热阻参数,分别是0.45℃/W和0.80℃/W。表2总结了这些数值。pAnednc

pAnednc

表2. SiC MOSFET单管 vs SiC MOSFET模块:热阻pAnednc

虽然单管的结-壳热阻较低,但整体的热阻相比模块高出不少,而且模块的导热能力更好。相同规格的Die的情况,模块可以在更高的功率下运行(NTH4L020N120SC1和NXH020F120MF1PTG都使用一样的1200V/20mΩ的Die)。pAnednc

两种器件的散热等效图如图3。所以在这次的25kW直流快充系统设计里,我们采用了有更好散热性能的SiC MOSFET模块。pAnednc

pAnednc

图3. 两种器件的电热等效回路pAnednc

PFC级和DC-DC级的散热解决方案

本章节将介绍PFC和DC-DC两个部分的散热方案设计。为了减少整体体积,我们决定采用一台低热阻和小尺寸的散热风扇。如上一章节提到的,SiC模块的热阻较低,同时还有内置的NTC可用于测温。pAnednc

我们决定用一个PWM-电压转换器来控制散热风扇,由模块(NXH010P120MNF1)内置的NTC测温来控制风扇的转速(如图4)。这样一来可以降低当系统处于低功率运行时所产生的噪音。pAnednc

pAnednc

图4. 冷却风扇控制回路pAnednc

25kW直流快充系统的结构示意图如下图5。pAnednc

pAnednc

图5. 机械和散热结构示意图(含散热片和风扇)。PFC部分(左)的风扇安装在PIM散热片上,风向朝PFC电感。DC-DC部分(右)的风扇紧贴原、副边的PIM安装。pAnednc

由于本次方案设计不考虑外壳,所以假设环境温度为最大30℃。PFC和DC-DC部分的散热设计并不是用部分器件的散热模型进行精确的模拟,而是从散热管理角度上考虑关键器件的功率损耗,并根据现成的散热器设计(非定制品)制定散热方案。pAnednc

PFC部分的散热设计

PFC部分的散热设计中最重要的器件是SiC半桥功率模块和PFC功率电感。我们必须要在选择散热片之前评估分析这些器件的损耗。PFC电感的温度特性的评估是基于绕组中直流电流模拟的预期损耗(~27W/电感)进行的。PFC电感厂家通过测试风扇得到相关数据,即当风量达到3m3/s时,最大温升等于30℃,这一数据也被用于风扇选型。pAnednc

参考之前的SPICE仿真结果(25kW SiC直流快充设计指南(第三部分):PFC仿真“[3]),PIM的整体峰值损耗在最糟糕的情况下达到了240W如图6,每个PIM模块的损耗约80W。pAnednc

基于这些数据,我们选择了一种热阻Zth=0.2℃/W的风扇安装方案。功率损耗=80W时,模块的温升大约为16℃(80W×0.2℃/W)。因为我们假设最高环境温度为30℃,所以冷却系统的温度大约是46℃。pAnednc

如之前电感厂家评估所验证的,散热风扇使PFC电感的温升低于30℃。PFC部分的散热布局规划让SiC PIM的风扇吹向PFC电感,从而保证整体PFC部分的稳定散热性能。pAnednc

pAnednc

图6. PFC部分PIM的整体损耗vs相电压,基于3个不同感值的功率电感。pAnednc

DAB DC-DC部分的散热设计

DC-DC部分的散热设计中最重要的器件是SiC PIM半桥功率模块、DC-DC变压器和谐振电感。我们假设散热设计的方法与PFC部分的设计类似。pAnednc

DC-DC变压器和谐振电感设计为无散热时最大温升70℃。同样假设室温为30℃,磁芯的温度则会达到100℃。由于这个温度实在太高,我们决定用一个风扇专门为电感降温。参考SPICE仿真结果(25kW SiC直流快充设计指南(第四部分):DC-DC级的设计考虑因素和仿真[4])验证SiC PIM的预计损耗,在仿真中,我们采用了匝数比1.2:1的DAB变压器,如图7的红色曲线。pAnednc

从图7看,原边功率模块的总体峰值损耗为300W,而副边的总体峰值损耗为150W,如图8。所以在DC-DC部分,我们决定采用一个热阻Zth=0.15℃/W的方案同时为原边和副边的PIM散热。pAnednc

基于这样的散热布局和30℃的室温,原边的最高温度优化为75℃,副边的最高温度为52.5℃。同样的,风扇转速根据内置NTC测温由PWM输入控制。pAnednc

pAnednc

图7. DC-DC部分原边PIM的整体损耗vs副边电压,基于3个不同匝数比的变压器。pAnednc

pAnednc

图8. DC-DC部分副边PIM的整体损耗vs副边电压,基于3个不同匝数比的变压器。pAnednc

负温度系数热敏电阻(NTC)的前端电路

SiC半桥PIM模块NXH010P120MNF1内置5kΩ的NTC,用于测量模块内部Die的温度,它对于散热系统中的散热片设计是非常重要的。温度的信号处理最终交给通用控制板(SECO-TE0716-GEVB)中的ADC。pAnednc

在PIM的数据手册里我们提供了如下图3的NTC参数。pAnednc

pAnednc

表3. 热敏电阻参数pAnednc

*注:B常数代表了热敏电阻阻值和温度的关系(R/T),由T1(25℃)和T2(50℃或100℃)的电阻值计算并定义。pAnednc

NTC的温度特性(阻值-温度关系)对于设计其前端电路很重要。采用一颗额定电阻值=5kΩ@25°C和B常数(25/100℃)的热敏电阻,我们可以使用公式仿真并计算它在各个温度点的电阻值,本次仿真中采用的B常数(25/100℃)为3455K,其结果如图9中红色曲线,蓝色曲线代表考虑到+3%误差的结果,用于评估误差对NTC阻值的影响。不过在NTC的前端电路设计中,暂时不考虑B常数误差。pAnednc

pAnednc

图9. 仿真结果:NXH010P120MNF1的内置NTC阻值和温度关系pAnednc

因为通过B常数在计算高低温下的阻值时是不够精确的(T<25℃或>100℃)而且变化浮动非常小(变化仅为几Ω/℃)。所以我们决定用一种局部线性化的方法,我们给NTC并联一个额外的电阻,连接一个固定的电压源VCC。仿真回路如图10。pAnednc

pAnednc

图10. NTC前端电路的SPICE模型pAnednc

NTC的并联电阻R3和限流电阻R1的可以通过局部线性化来选择,同时还需要去耦电阻R4和R5因为需要尽可能减少ADC到NTC回路的距离。前端电路应使用差分电路以减少测温电路受共模噪声影响。pAnednc

功放Q1A用于放大NTC的输出电压,增益设置为10.1,功放Q1B用来输出一个互补的ADC_P信号,差分输出到低功耗ADC (NCD98011)。值得注意的是,我们通常不会用到这个互补信号,但这样做的目的是改变NTC的负温度系数为正,即温度越高,电压就越高,方便后续控制固件的处理。pAnednc

图11展示了PIM内置NTC的电压电流曲线。pAnednc

在这些仿真中,NTC电流最大值不超过300μA而其典型值大约为100μA,但由于NTC是内置于PIM结构中,所以其流过电流所产生的温升不会影响到模块温度。电流越大,NTC测温电路的结果就越线性化。pAnednc

pAnednc

图11. NTC电流电压仿真曲线pAnednc

如图12测温电路的温度范围是-40℃-180℃,ADC的±3.3V的输入电压范围并没有被完全利用。不过,由于测量电路的分辨率达到了0.05°C/LSB,也就是22LSB/°C,完全满足了25kW直流充电方案设计中的温度测量要求。pAnednc

pAnednc

图12. NTC前置回路的温度测量范围pAnednc

NTC测温电路的带宽为77.6Hz,在PFC回路的开关频率为70kHz时,仿真衰减大约为-126.6dB,这保证了测温电路不会受到PFC部分的噪声干扰,也不会受到开关频率为100 kHz的DC-DC部分的干扰(见图13)。pAnednc

pAnednc

图13. NTC测温电路的频率特性pAnednc

尽管有线性化设计,在数字信号的控制固件中进行温度测量仍然需要进一步线性化。一般我们会查表,如下:pAnednc

pAnednc

表4. 转换对照表。ADC输出电压 - NTC测得温度pAnednc

控制风扇转速的PWM-电压转换器

由于本次设计中的冷却系统使用了无自动转速控制的风扇,我们采用一颗onsemi的buck稳压芯片NCV890100作为PWM-电压转换器。使用NCV890100的AC模型(可从onsemi官网下载),我们能够进行用于风扇电源的PWM-电压控制器的仿真。散热方案中使用的风扇测量得到的伏安特性被用来设计风扇的SPICE模型,风扇的可靠工作电压范围为6V-12V。pAnednc

如图14的仿真电路中,直流输出偏置电压取决于输出电容COUT。由于X7S电容的直流偏置特性,所以我们基于电压对输出电容进行建模,这对于PWM-电压转换器的交流特性有着很大影响。我们也对UCB的PWM控制信号建了模。pAnednc

图14的SPICE电路的PWM输入的直流偏置设置为100%,输出电压6.6V满足我们的设计。图15的SPICE电路的PWM直流偏置设置为0%。输出电压12.7V同样满足我们的设计。输出电感由9.88μF降低至5.09μF (2个10μF电感并联)。pAnednc

pAnednc

图14. PWM-电压电路的SPICE模型,PWM直流偏置10%,输出电压6.6VpAnednc

pAnednc

图15. PWM-电压电路的SPICE模型,PWM直流偏置0%,输出电压12.7VpAnednc

pAnednc

图16. PWM-电压转换器的输出电压-PWM占空比曲线pAnednc

控制回路的交流特性的仿真是用于验证PWM-电压转换器的稳定性的,开始仿真前,我们需要定义以下参数:CCOMP=470pF, RCOMP=10kΩ, CP=100pF, R1=3.1kΩ, R2=237Ω。pAnednc

仿真扫频过程中我们可以观察到图17中PWM-电压转换器的增益特性(红线)和相频特性(蓝线)。两者的变化均以虚线和点虚线表示。穿越频率变化范围32.9kHz-51.8kHz,相位裕量变化范围26.6°-31.9°,增益变化范围16.5dB-20.5dB,这些都不足以让转换器在整个工作范围内稳定运行。pAnednc

因为大部分电源转换器的设计通常含有45°的相位余量以确保稳定性,但我们为了更稳健的设计,将相位余量设置为70°。因此这对于设计更稳定的电路来说是不可接受的。pAnednc

pAnednc

图17. 模拟PWM-电压转换器控制回路的AC特性,已做以下参数补偿CCOMP=470pF, RCOMP=10kΩ, CP=100pF, R1=3.1kΩ, R2=237Ω。pAnednc

为了提高PWM-电压电路的稳定性,我们重做了与其相连的散热风扇的补偿。PFC部分使用了3台散热风扇,DC-DC使用了2台,还有一台用于为DAB变压器散热。现在我们把穿越频率设置为13.5kHz-25.3kHz,这样便产生了72.2°的相位裕量,增益变化范围23.6dB-27.7dB。在穿越频率点附件,补偿器的最大相位提升为71.2°,处于分频区,相位在分频区穿越频率点以后没有明显下降。pAnednc

pAnednc

图18. 模拟PWM-电压转换器控制回路的AC特性,已做以下参数补偿CCOMP=10nF, RCOMP=4.64kΩ, CP=270pF, R1=3.1kΩ, R2=237Ω。pAnednc

于是,我们得到采用NCV890100的PWM-电压转换器的最终电路图,如图19。pAnednc

pAnednc

图19. PWM-电压转换器的最终电路图pAnednc

结论

在这一章节我们讨论了SiC功率模块和SiC MOSFET单管不同的散热安装形式。相比单管,SiC功率模块可以令系统在更高开关频率下工作,减少被动器件体积,同时提供更好的散热表现。在使用相同尺寸的Die时,模块能够以更大功率运行,有助于小型化设计。此外,我们还讨论了在数字控制散热方法中使用PIM内置NTC的好处,它能够在充电模块处于低输出功率工作模式下减少其噪声。pAnednc

我们还讨论了设计和开发过程中所考虑的因素,以实现用数字控制PFC部分和DC-DC部分、以及用于DAB变压器的散热风扇。pAnednc

之后我们团队计划继续发布2篇文档,分享有关于实验室数据以及满功率下硬件测试所得到的经验教训。pAnednc

参考资料

1. “25kW SiC直流快充设计指南(第一部分): 有关电动车应用” by Karol Rendek and Stefan Kosterec,pAnednc

2. “25kW SiC直流快充设计指南(第二部分):方案总览” by Karol Rendek and Stefan KosterecpAnednc

3. “25kW SiC直流快充设计指南(第三部分):PFC仿真” by Karol Rendek and Stefan KosterecpAnednc

4. “25kW SiC直流快充设计指南(第四部分):DC-DC 级的设计考虑因素和仿真” by Karol Rendek and Stefan KosterecpAnednc

5. “25kW SiC直流快充设计指南(第五部分):控制算法、调制方案和反馈” by Karol Rendek and Stefan KosterecpAnednc

6. “25kW SiC直流快充设计指南(第六部分):用于电源模块的栅极驱动系统” by Karol Rendek、Stefan Kosterec、Didier Balocco、Aniruddha Kolarkar和 Will AbdehpAnednc

7. 25kW SiC直流快充设计指南 (第七部分):800V EV充电系统的辅助电源” by Karol Rendek、Stefan Kosterec、Didier Balocco、Aniruddha Kolarkar和 Will AbdehpAnednc

8. NTH4L020N120SC1数据手册pAnednc

9. NXH020F120MNF1PTG 数据手册pAnednc

(作者:安森美Karol RendekStefan KosterecDidier BaloccoAniruddha Kolarkar Will Abdeh)pAnednc

责编:Franklin
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 聚焦高端模拟芯片替代,助力新能源车供应链安全 本研讨会直播亮点: 隔离技术介绍 隔离产品路线图 新能源汽车隔离与接口相关解决方案
  • 设计缺陷?555定时器的电流尖峰问题 流行数十年的555定时器,业界不知晓的工程师应该寥寥无几!几乎所有的数字电路教材中都有该芯片的身影,要说是无所不在一点也不过分。然而,该电路却存在显著的输出级电流尖峰(spike)的先天设计缺陷。原设计师曾设法进行改进以期修复缺陷,但最终未能实现…
  • EDA产业链上下游齐聚,助力国产芯片设计腾飞 EDA/IP与IC设计论坛上,十二位演讲嘉宾从EDA工具、3DIC先进封装、IP解决方案、原型验证、半导体测试解决方案等不同角度,阐述了各自企业及产品的技术创新以及技术支持,基本覆盖到了芯片设计的各个流程环节。
  • 如何为无人机电机控制器设计电调模块 控制电机速度和旋转的能力,是无人机的设计关键,这就使电子调速(简称电调,ESC)模块成为无人机的一个基础增值部分。在本文中,我们将探讨设计电调和市场开发解决方案时要考虑的关键要素。
  • MPS:降低损耗以减少碳排放——从工艺到方案的进化 在“2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC)”的“2022 国际‘碳中和’电子产业发展高峰论坛”上,MPS公司北中国区副总经理卢平带来了“降低损耗以减少碳排放——从工艺到方案的进化”的主题演讲。侧重从配电到用电阶段,探讨了如何降低电能损耗,帮助实现碳排放降低,进而最终实现碳达峰碳中和。
  • 使用特定任务的MCU简化复杂设计 在当今的电子世界中,运行实时操作系统(RTOS)的大型32位微控制器(MCU)和微处理器(MPU)越来越普遍。然而,处理复杂应用的单个大型MCU,可能会遇到与小型内务管理任务相关的CPU资源问题,这些任务并不复杂,但非常耗时。较小的器件,例如8位和16位MCU,可用于从32位器件卸载这些任务。
  • 磁场定向控制算法增强电动汽车设计中的电机控制 为了使电动汽车动力系统平稳行驶,控制方案应使电机能够在较宽的速度范围内运行并在最低速度下产生最大扭矩。从技术上讲,电机控制必须基于转矩和磁通量,因此可以通过控制电流来精确控制转矩。
  • 必易微:多串电池监控方案实现多重保护、高采样精度和高 必易微推出了内置均衡功能并且保护齐全的多串电池监控芯片,分别为支持3-10串电池或36V电池组的KP62010,以及支持3-18串电池或60V电池组的KP62030,可满足锂电储能、动力电源、电动工具、智能家居等系统应用。
  • 可随时间推移自行溶解的瞬态电子系统,完美解决电子垃圾 通常,电子工程师的主要目标是开发耐用且可以长时间运行而不会损坏的组件和设备。此类设备需要耐久的材料,这最终会导致电子垃圾在地球上的积累。西北大学和伊利诺伊大学的研究人员一直在研究一种完全不同类型的机电系统 (MEMS):基于所谓的“瞬态材料”的机电系统。瞬态材料是可以在程序和特定时间以其他方式溶解、再吸收、分解或物理消失的材料。
  • 纳米级电子纹身可为身体健康把关 韩国科学技术院(KAIST)的研究人员开发了一种由液态金属和碳纳米管组成的电子纹身墨水,可作为生物电极使用,提供潜在的健康问题警示...
  • 电机控制设计之电机与控制器简介 效率和能量的转换在电子设计中一直扮演着重要的角色,在电机的情况下,转换发生了两次:首先是产生控制电机所需的电能,然后是将电能转化为驱动力。消除电机产生的噪声,是电子设计人员在此类应用中必须面对的最常见问题之一。
  • 波兰网友拆联想笔记本电源,竟然不是反激式设计?! 本文将介绍和分析联想170W ADL170SDC3A电源的构造等内容,这款电源适用于联想ThinkPad Y50-70笔记本电脑。我对这个电源特别感兴趣,因为它非常薄(15mm)并且提供了很大的功率——20V时为8.5A,也即总共170W。我是从电子垃圾中得到这款电源的,所以把它拆开来没有什么好可惜的,本文将会描述它的内部。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了