电动工具中三相电机驱动器的优化热设计 - 第 1 部分

每个人都喜欢电动工具，无论是无绳的还是有线的。无绳工具可以使用有刷或无刷直流 (BLDC) 电机。但是，无刷电机效率更高，维护更少，噪音更低，使用寿命更长。在这个由两部分组成的博客系列中，我们将首先讨论这些电动工具中使用的三相电机驱动器的热设计基础知识，然后讨论可用于您的设计的选项。

电动工具对外形尺寸和热性能有严格的要求。因此，需要体积小、效率高的功率级来驱动电动工具中使用的 BLDC 电机。高效率可提供最长的电池续航时间并减少冷却工作。小尺寸可实现设计灵活性，以实现最佳冷却效果和靠近电池组的最佳位置，以最大限度地减少承载大电流的连接上的阻抗。

在无绳电动工具中，电池电压可以在 12V 到 72V 之间变化，具体取决于电池连接。工作电流会很高。例如，使用 36 V 电池运行的 1 kW 电动工具将需要 30 A 电流。在低电压、大电流应用中，MOSFET 是一个不错的选择。三相 BLDC 电机的逆变器由六个 MOSFET 组成。功率级的小尺寸需要小尺寸的 MOSFET，而高效率需要具有低 RDS_ON 的 MOSFET。

例如，NexFET™ 功率 MOSFET CSD18540Q5B是一款 60V N 沟道 MOSFET。它具有 1.8mΩ 的低 RDS_ON，并采用非常小的 SON 5×6 mm 封装，具有 100A 的封装限制连续电流额定值和 400A 的峰值电流额定值。通过对这些小型封装进行适当的热设计，我们可以使功率部分安全地承载大电流。CSD18540Q5B 数据表规定，这些器件的结壳热阻 (R ϴJC ) 非常低，为 0.8 o C/W，这是通过将器件安装在 1 英寸2 (6.45-cm 2)，两盎司。(0.071 毫米厚)铜焊盘在 1.5 英寸 × 1.5 英寸(3.81 厘米 × 3.81 厘米)、0.06 英寸(1.52 毫米)厚的 FR4 PCB 上。上述测试条件下的结到环境热阻 (R ϴJA ) 为 50 o C/W。为了实现最佳热设计，在计算结到环境热阻时，了解封装的散热路径非常重要。

如图 1(a) 所示，从 MOSFET 结到环境的散热有两条路径。第一个是通过器件和 PCB 的裸露导热垫从器件的结点到环境。第二条路径从 MOSFET 的结点通过封装的顶部塑料表面到达环境。

第一条路径由两个热阻组件组成，(1) 从器件结到底部裸焊盘的热阻 (R ϴJC ) 和 (2) 从裸焊盘通过 PCB 到环境的热阻 (R ϴCA )。因此，通过 PCB 从结到环境的热阻，

R ϴJCA = R ϴJC + R ϴCA。

第二条路径由两个热阻组件组成，(1) 从器件结到封装顶部塑料成型的热阻 (R ϴJT ) 和 (2) 从封装顶部到环境空气的热阻 (R ϴTA ) . 因此，通过器件顶面从结到环境的热阻，R ϴJTA = R ϴJT + R ϴTA。.

参数 R ϴJC和 R ϴJT是设备封装的属性。R ϴJC是一个非常好的封装热性能指标。具有低 R ϴJC的封装将有良好的热传递到裸露焊盘。对于大多数设备，参数 R ϴJT可能不会被提及，因为它的值通常很高。对于CSD18540Q5B，R ϴJC为 0.8 o C/W，R ϴJT通常约为 12 -15 o C/W。

因此，为了更好的系统级热设计，设计人员需要降低参数 R ϴCA和/或 R ϴTA。由于 R ϴJC与 R ϴJT相比要小得多，因此大部分热量从器件的裸露铜焊盘传递到 PCB。如果我们假设，设备顶部没有散热器，95% 或更多的热量传递到 PCB，因此热设计最关键的部分将通过 PCB 将热量带走到环境中.