03.11 PCB de potencia
# PCB de potencia
La PCB de potencia es el sustrato físico sobre el cual se montan y conectan los componentes de potencia. En ella están situados los semiconductores, el bus de condensadores, las medidas de tensión, corriente y temperatura, los gate drivers, y algunos circuitos de seguridad. En la figura [sketches_layout] se muestran unos bocetos iniciales que se usaron para tantear el emplazamiento de los componentes y conexiones de potencia.
En el layout se distinguen varias zonas.
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Zona 1: Conector a la PCB de control y protección de la alimentación de baja tensión.
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Zona 2: Conectores de las fases del motor y montajes mecánicos.
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Zonas 3, 4 y 5: Semiconductores, sensores de corriente, gate drivers y snubbers para cada fase.
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Zona 6: Bus de condensadores, conectores de alta tensión DC, circuito de descarga y sensado de tensión.
Para dotar al convertidor de una alta densidad de potencia se decidió un formato de 150 mm por 200 mm, dejando espacio más que suficiente para distribuir todos los componentes de forma más o menos holgada.
Dado que esta PCB implementa partes del circuito del sistema de tracción y partes del sistema de baja tensión, se debe crear una separación física de 4 mm ya que estará acabada con un revestimiento conformal acrílico (conformal coating), acorde con la norma EV4.3.6 .
Los espaciados entre conductores de la parte de alta tensión son de 3
mm, ya que la tensión que deben aislar es de 600 V. Este valor se
obtiene de la norma genérica IPC-2221B , que especifica una separación
de
El dimensionamiento de las pistas para la corriente que debe pasar es algo complicado, y de hecho condiciona el apilado de la PCB. Por ello, se selecciona un apilado de 4 capas de 70 micras (2 onzas por pulgada cuadrada).
Para dimensionar el ancho de estas pistas se ha considerado la corriente RMS de fase, ya que es la corriente máxima en toda la PCB. Después, se ha usado este ancho para todas las conexiones de potencia, aunque la corriente que vean sea menor. El cálculo se ha realizado usando la norma IPC-2152 , que especifica unas relaciones de capacidad de corriente respecto al incremento de temperatura y el grosor de capa. Ya que el cálculo es algo tedioso, se opta por el uso de una calculadora específica para este propósito:
El resultado es de 10 mm, lo cual es exagerado, pero sin embargo, solamente se está teniendo en cuenta una capa. Por ello, se decide enrutar las conexiones de potencia por un mínimo de 2 capas con un ancho mínimo de 5 mm. A continuación se detalla el enrutado de la conexión DC positiva de uno de los 3 módulos de medio puente.
Como se puede apreciar, el espaciado que hay que dejar por aislamiento
compite por espacio con el ancho de las conexiones. En la mayoría de
casos se ha podido respetar el ancho mínimo de 5 mm, sin embargo, en
algunas situaciones esto no es posible. Por ejemplo, lo ilustrado en la
subfigura (b) muestra una estrechez de 1,5 mm, pero como esa conexión
está repetida en dos capas, el ancho total es de 3 mm. Además, la
conexión positiva en el semiconductor se realiza a través de dos grupos
de pines, y como antes de realizar esa estrechez ya se ha conectado un
grupo de pines, se puede asumir que la corriente que circula por ese
trozo de cobre es la mitad que la corriente continua entera que va a
recibir ese módulo, que a su vez, es aproximadamente un tercio de la
corriente continua total
(
Esto es tan solo un ejemplo del análisis que se ha realizado con cualquier mínima sospecha de falta de cobre en todo el enrutado de potencia. Un camino de corriente muy estrecho podría presentar sobrecalentamiento y en casos extremos, levantamiento de la pista o plano.
Además, se han especificado el acabado y el espesor de cobre en las vías para asegurar un buen montaje de los componentes press-fit (los conectores de potencia y los semiconductores). Se ha optado por un acabado ENIG (oro electrolítico) por ser una opción con la que se pueden hacer este tipo de conexiones, además de aguantar mucho tiempo sin oxidarse. El ancho de cobre en las vías es algo que se debe consultar directamente con el fabricante porque no todos son capaces de asegurar una tolerancia. Para saber cuánto cobre es necesario, se han consultado los documentos explicativos de Würth Elektronik (para los conectores de potencia) y de Wolfspeed (para los semiconductores).
Ambos documentos apuntan que un acabado de estaño químico es lo ideal para realizar esta conexión, sin embargo, no se pudo conseguir un fabricante que lo pudiera realizar a un precio razonable. El grosor de cobre que se marcó como requisito al fabricante fue de 25 μm a 50 μm, por ser el más restrictivo de ambos.
La PCB de potencia se divide en varios bloques funcionales, unidos en un esquemático jerárquico que además incluye la conexión entre estos bloques, algunas notas indicativas y componentes que no pertenecen a ningún bloque en específico.
En el esquemático se pueden distinguir el conector a la PCB de control, la protección de alimentación de baja tensión y unas notas indicativas, así como una leyenda de colores. Se anotan también los cambios y la fecha en la que se envía a producción. Los bloques que se pueden ver incluyen:
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Etapa de potencia: En este bloque aparecen los semiconductores, el bus de condensadores y una descarga pasiva.
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Sensado de corriente: Se incluyen los sensores de corriente y su interfaz analógica con la PCB de control.
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Gate drivers: En este bloque se recogen las señales necesarias para la conmutación, así como la configuración de los gate drivers en su conjunto. Este bloque contiene 3 subcircuitos correspondientes con cada fase. En ellos se encuentran los gate drivers en sí, junto a su alimentación aislada, los snubbers y la medida de temperatura.
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DC: Por último, hay un bloque dedicado al bus de continua, que incluye el circuito de descarga, la medida de tensión y la detección de 60 V requerida por la normativa.
VSI
Ya que los módulos son estructuras half-bridge, se deben conectar entre sí para formar la topología VSI.
Protección de alimentación
Aunque en principio es regulada, la entrada de 5 V necesita de un mínimo de protecciones sencillas para evitar retrasos ocasionados por fallos mientras se realizan pruebas. En este caso se ha usado un fusible como protección contra sobrecorriente, un diodo zener a modo de protección contra sobretensión (hará saltar el fusible cuando la tensión de entrada supere la tensión umbral), y un diodo schottky como protección frente a tensión inversa, ya que tiene poca caída de tensión, actúa bastante rápido y es barato.
Alimentación del gate driver
En función del modelo de DC-DC específico escogido de la serie MGJ2 de Murata, se tendrá una tensión positiva y negativa diferente. La tensión positiva no es muy problemática puesto que se pueden seleccionar DC-DCs con salidas de +18 V o de +15 V, valores que encajan con los recomendados por los fabricantes de los semiconductores.
Sin embargo, ese no es el caso para las tensiones negativas, ya que el
valor debería poder ajustarse para ser más versátil en el desarrollo.
Por ello, se implementan reguladores lineales para ajustar
donde
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Leapers:
$R1 = 36 \text{ k}\Omega$ ,$R2 = 56 \text{ k}\Omega$ -
Wolfspeed:
$R1 = 68 \text{ k}\Omega$ ,$R2 = 30 \text{ k}\Omega$
Este proceso permite ajustar de forma precisa los voltajes negativos necesarios para el correcto funcionamiento del circuito de conmutación.
Gate driver
Uno de los componentes más importantes de todo el diseño tiene una de las implementaciones más sencillas, ya que la hoja de datos del UCC21710 proporciona mucha información útil para la aplicación final.
El gate driver UCC21710 se implementa con varias características que lo hacen adecuado para su uso en aplicaciones de potencia. Las señales TRIP y OK están configuradas en open drain, lo que permite que se paralelicen con los otros gate drivers para facilitar su integración. La entrada IN- no se utiliza y está conectada a tierra. El pin ENABLE se controla desde el MCU, y cuando se fuerza un estado bajo durante más de 1 μs, se resetea la señal TRIP. La señal TRIP se lee como una interrupción externa desde el MCU, y sirve para detectar un error en los gate drivers y actuar rápidamente.
Para la medición de temperatura, se utilizan los drivers de los MOSFETS del low-side. Estos proporcionan una corriente de salida de 200 μA en su salida, a través de la cual se puede interpretar la medida. Esta señal se convierte a PWM y luego a analógica mediante un filtro RC para ser recibida directamente por el ADC del MCU.
El circuito de medición de temperatura utiliza el sensor NTC del
semiconductor para obtener una lectura de tensión, la cual se convierte
en una lectura de bits mediante el ADC del MCU. La relación entre la
resistencia del NTC y la temperatura se modela utilizando la fórmula de
Steinhart-Hart, que toma en cuenta el valor
El voltaje leído por el ADC se calcula
El circuito también incluye protección de Miller clamp para evitar
activaciones accidentales de los MOSFETs. Aunque los gate drivers
tienen un pull-down activo, se ha implementado un pull-down externo
con
Adicionalmente, se incluyen unos snubbers consistentes en un RC entre drain y source, un condensador entre gate y drain y un condensador entre gate y source. En caso de encontrar problemas excesivos con la conmutación, pueden ayudar a amortiguar transitorios.
Cabe destacar que el enrutado de este subcircuito es especialmente crítico por los parásitos inductivos que se pueden ocasionar. En particular, la inductancia en el camino de retorno de gate-source puede ser fatal para el comportamiento de la conmutación, razón por la cual se ha tirado un plano conectado al source de cada MOSFET en el área donde se enruta su driver, para minimizar el camino de retorno. En estas líneas, se ha enrutado en orden de prioridad, empezando por la conexión de las puertas de los MOSFETs a los drivers y la alimentación aislada, y acabando con los snubbers.
Debido a los parásitos que puede presentar el layout, los MOSFETs pueden presentar un sobrepico de tensión excesivo al conmutar. La figura [lc-layout] explica el circuito que pueden formar. Si la capacidad parásita es insuficiente, la inductancia parásita provocará una subamortiguación. Por ello, se ha minimizado el área que dejan estas conexiones para minimizar la inductancia parásita. Además, es importante añadir un condensador de desacoplo entre los terminales positivo y negativo de cada half-bridge.
Descarga
Una de las partes más importantes en cuanto a la seguridad eléctrica es la implementación del circuito de descarga. Este circuito se utiliza para descargar la energía almacenada en el bus de condensadores cuando el convertidor no está operativo. Los requisitos de la normativa son que el circuito debe ser capaz de descargar el bus de la tensión máxima hasta 60 V en menos de 5 segundos. Adicionalmente, el circuito debe ser capaz de aguantar de forma constante la tensión máxima.
Con tal de cumplir estos requisitos se ha optado por un circuito basado en un NMOS, cuya puerta se conecta al terminal positivo del bus a través de una resistencia de valor elevado y se limita la tensión con un diodo zener. La puerta del MOSFET está controlada por un opto-acoplador de forma aislada desde el circuito de baja tensión. Mientras el bus tenga una tensión superior a 10 V (la tensión del zener) y el opto-acoplador esté desactivado, el MOSFET quedará cerrado, conectando el banco de resistencias a los condensadores, descargándolos.
La selección de la resistencia se ha basado en minimizar el tamaño de la
misma. La solución óptima se ha encontrado en utilizar un banco de 24
resistencias SMD de 470 k$\Omega$, en encapsulado 2512, que es capaz de
disipar 1 W. Se conectan en paralelo para llegar al valor necesario para
cumplir con el requisito de tiempo de descarga. Para el cálculo del
tiempo de descarga se utiliza la siguiente expresión
La potencia disipada en cada resistencia de descarga se calcula como
Medida de corriente
Uno de los componentes más críticos para asegurar el funcionamiento óptimo del inversor es la medición precisa de corriente. En inversores de bajo coste, comúnmente se emplean resistencias shunt junto con amplificadores aislados para esta tarea. Sin embargo, esta solución puede presentar diversos desafíos de integración.
Una opción destacada para abordar esta necesidad de medición de corriente es la gama de sensores CKSR-NP de LEM. Este sensor utiliza la tecnología de transductores de corriente basados en fluxgate. Sus características incluyen un rango de medición amplio de hasta $\pm$150 A para modelo seleccionado, junto con una alta precisión del 0.8%. Además, su diseño compacto y montaje en PCB lo hacen ideal para aplicaciones donde se requiere una medición precisa y confiable de corriente en un espacio limitado.
Dado que el sensor tiene un rango de medida de $\pm$150 A y está alimentado a 5 V, se puede pasar por un divisor resistivo con tal de adecuar la señal de salida al rango de entrada del ADC del MCU. Adicionalmente, se puede modificar la tensión de referencia (salida a 0 A) para ajustar todavía más la medida.
Cabe destacar que la serie CKSR-NP de LEM es compatible en especificaciones y footprint con la serie LKSR-NP, con lo que se pueden usar indistintamente. Para el proyecto se han conseguido muestras de LKSR-NP y se compraron unos pocos CKSR-NP.
Medida de tensión
El sensado de la tensión es una tarea crítica en el sistema, ya que no solo es esencial para el control del motor, sino también para la detección y alerta de niveles altos de tensión. Para ambos propósitos, se emplea un divisor de tensión utilizando una serie de resistencias.
Sustituyendo los valores de 600 V y 60 V para TS+ y TS-,
respectivamente,
El valor de potencia disipada en las resistencias de 68 k$\Omega$ se
calcula
Se elige un encapsulado 1206 para las resistencias de 68 k$\Omega$, que es capaz de disipar por lo menos 250 mW.
El amplificador aislado ISO224 se utiliza para medir la tensión en el
bus de continua. Según la hoja de datos, la salida se calcula como un
tercio del voltaje de entrada del divisor de tensión.
El amplificador aislado ISO224 es una elección eficaz para esta aplicación, ya que permite medir de manera precisa la diferencia de potencial entre los terminales, proporcionando un voltaje de salida proporcional a la tensión medida y cuadrando con el rango de adquisición del ADC. Adicionalmente, la salida es diferencial, lo que permite mayor inmunidad frente a interferencias al ser enrutada hasta la placa de control. En ella se deberá incluir un amplificador diferencial o similar para llevar la lectura al ADC.
Tras haber creado todos los subcircuitos, haber emplazado cada componente y enrutado cada nodo, se ha completado el diseño de la placa de potencia. La distribución de componentes permite empaquetar dos de estas placas enfrentadas de forma muy compacta, dejando el espacio justo entre medias para la inserción de la coldplate. La placa de control se podrá conectar a las dos de potencia mediante conectores placa a placa, quedando a uno de las caras libres. Por la otra cara se deben incluir las conexiones de potencia DC y la entrada y salida de agua.
