对更高功率密度的需求推动电动工具创新解决方案

2017年06月14日 17:06    eechina
关键词: 电动工具 , 直流电机 , 有刷直流
作者:Brett Barr1,TI公司

电动工具中直流电机的优先配置已从有刷直流大幅转向更可靠、更有效的无刷直流(BLDC)解决方案。典型的诸如斩波器配置的有刷直流拓扑通常根据双向开关的使用(或不使用)实现一个或两个功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。另一方面,三相BLDC配置需要三个半桥或至少六个场效应管(FET),因此从有刷电流转向无刷电流意味着全球电动工具FET总区域市场的3倍到6倍倍增(见图1)。作为推动TI的NexFET™功率MOSFET的一员,我很难抱怨这一市场趋势。

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图1:从有刷到无刷拓扑的转换意味着FET数量的6倍倍增

但BLDC设计在这些FET上提出了新的技术要求。例如,若电路板上FET的数量6倍倍增也意味着驱动电机所需的印刷电路板(PCB)占用面积增加了6倍,那么BLDC设计不大可能仍适用于电动工具和园艺工具制造商。请记住,电力电子设备通常位于这些工具的手柄中;因此,为适应最小的手部尺寸,应用通常极其受到空间限制(参见图2)。需要更高功率密度的解决方案,换句话讲,需要可在更小空间中处理更多电流的FET。

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图2:在大多数电动工具中,电子设备位于手柄中

传统意义上讲,适用于驱动大功率电机的FET其封装又大又重,如TO-220、DPAK和D2PAK。但像TI的小型无引线封装(SON)5mm×6mm FET这类更新的方形扁平无引线(QFN)封装在硅片和源极管脚之间能提供更小的封装电阻。单位面积的电阻较小意味着单位面积的传导损耗较少,也意味着更高的电流能力和更高的功率密度。因此,随着FET硅单位面积的电阻(RSP)继续下降(大致相当于过去每代产品的一半),电动工具、园艺工具和家用电器行业的QFN解决方案增长迅速也不足为奇了。这些较小的FET现在通常能够自驱动高达30A或更高的直流电机电流;即使对于更高功率的设计,并行多个QFN有时更适用于更大的封装。毕竟,两个5mm×6mm的器件在60mm2的总PCB面积中仍只相当于占用一个D2PAK的一小部分尺寸,在总PCB空间大约为10mm×15mm,即150mm2(见图3)。

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图3:半桥所需的PCB空间(未按比例画出)

TI最近通过将两个FET纵向集成到一个单一封装中,将这一趋势归结为逻辑结论,在一个SON 5mm×6mm以上的功率模块中提供整个半桥。40V CSD88584Q5DC和60V CSD88599Q5DC采用与TI低电压功率块相同的堆叠管芯技术,用于高频电源应用,但采用优化的硅片,以减少大电流电机驱动应用的传导损耗。除最小化在PCB上并排两个FET带来的寄生电感外,纵向集成两个FET可在同一封装中容纳更多的硅,从而实现比分立QFN器件更高的功率密度。

这些器件还具有带裸露金属顶部的耐热增强型DualCool™封装。因此,尽管仍存在一些情况,即电动工具制造商可能更倾向于使用TO-220 FET来表面贴装FET,因为这些FET可安装在大型散热器上以将热量从PCB排出,但是这些功率模块采用QFN封装提供了同样的好处。例如,即使在最理想的热环境中,通常也不鼓励在典型的5mm×6mm的QFN中耗散3W以上的功率。但是通过适当地使用散热器,这些DualCool器件可以处理6W或更多的功耗,功率密度翻了一倍,而PCB占用面积减少了一半。

如今,在电动工具、园林工具及电池供电的家用电器中推出更受欢迎的BLDC电机时,功率密度就是游戏的代名词。TI新的功率模块解决方案可在前所未有的水平上实现这一目标。

其他信息

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