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中心議題：

• 電動(dòng)自行車無刷電機(jī)控制器工作原理
• MOSFET功率損耗的計(jì)算、仿真、分析

解決方案：

• 選擇較好的熱傳導(dǎo)材料來獲得小的熱阻
• 重點(diǎn)考慮電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的MOSFET溫升
• 借助熱仿真軟件

1. 引言

由于功率MOSFET具有驅(qū)動(dòng)電流小、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在電動(dòng)車的控制器里。但是如果設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)，會(huì)經(jīng)常損壞MOSFET，而且一旦損壞后MOSFET的漏源極短路，晶圓通常會(huì)被燒得很嚴(yán)重，大部分用戶無法準(zhǔn)確分析造成MOSFET損壞的原因。所以在設(shè)計(jì)階段，有關(guān)MOSFET的可靠性設(shè)計(jì)是致關(guān)重要的。

MOSFET通常的損壞模式包括：過流、過壓、雪崩擊穿、超出安全工作區(qū)等。但這些原因?qū)е碌膿p壞最終都是因?yàn)榫A溫度過高而損壞，所以在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，熱設(shè)計(jì)是非常重要的。MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫度必須經(jīng)過計(jì)算，確保在使用過程中MOSFET結(jié)點(diǎn)溫度不會(huì)超過其最大允許值。

2. 無刷電機(jī)控制器簡(jiǎn)介

由于無刷電機(jī)具有高扭矩、長(zhǎng)壽命、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，已在各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，其工作原理也已被大家廣為熟知，這里不再詳述。國(guó)內(nèi)電動(dòng)車電機(jī)控制器通常工作方式為三相六步，功率級(jí)原理圖如圖1所示，其中Q1, Q2為A相上管及下管；Q3, Q4為B相上管及下管；Q5, Q6為C相上管及下管。MOSFET全部使用AOT430。 MOSFET工作在兩兩導(dǎo)通方式，導(dǎo)通順序?yàn)镼1Q4→Q1Q6→Q3Q6→Q3Q2→Q5Q2→Q5Q4→Q1Q4，控制器的輸出通過調(diào)整上橋PWM脈寬實(shí)現(xiàn)，PWM頻率一般設(shè)置為18KHz以上。

當(dāng)電機(jī)及控制器工作在某一相時(shí)（假設(shè)B相上管Q3和C相下管Q6），在每一個(gè)PWM周期內(nèi)，有兩種工作狀態(tài)：
狀態(tài)1: Q3和Q6導(dǎo)通, 電流I1經(jīng)Q3、電機(jī)線圈L、Q6、電流檢測(cè)電阻Rs流入地。

狀態(tài)2: Q3關(guān)斷, Q6導(dǎo)通, 電流I2流經(jīng)電機(jī)線圈L、Q6、Q4，此狀態(tài)稱為續(xù)流狀態(tài)。在狀態(tài)2中，如果Q4導(dǎo)通，則稱控制器為同步整流方式。如果Q4關(guān)斷，I2靠Q4體二極管流通，則稱為非同步整流工作方式。

流經(jīng)電機(jī)線圈L的電流I1和I2之和稱為控制器相電流，流經(jīng)電流檢測(cè)電阻Rs的平均電流I1稱為控制器的線電流，所以控制器的相電流要比控制器的線電流要大。

3. 功耗計(jì)算

控制器MOSFET的功率損耗隨著電機(jī)負(fù)載的加大而增加，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，控制器的MOSFET損耗達(dá)到最大（假設(shè)控制器為全輸出時(shí)）。為了分析方便，我們假設(shè)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)B相上管工作在PWM模式下，C相下管一直導(dǎo)通，B相下管為同步整流工作方式（見圖1）。電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的波形如圖2-圖5所示。功率損耗計(jì)算如下：

3.1 B相上管功率損耗

3.1.1 B相上管開通損耗(t1-t2)，見圖2;
Phs(turn on) = *Fsw≈1/2 *Vds*I*(t2-t1)/T = 1/2*48*40*340*10^-3/64=5.1W

3.1.2 B相上管關(guān)斷損耗(t3-t4)，見圖3;
Phs(turn off)= *Fsw≈1/2 *Vds*I*(t4-t3)/T =1/2 *48*40*250*10^-3/64=3.75W

3.1.3 B相上管導(dǎo)通損耗(t5-t6)，見圖4;

3.1.3 B相上管導(dǎo)通損耗(t5-t6)，見圖4;
Phs(on) = I²×Rds(on)×D =40²×0.015×20/64 = 7.5W

B 相上管總損耗：

Phs(Bphase)=Phs(turn on)+Phs(turn off)+Phs(on)=5.1+3.75+7.5=16.35W

3.2 B相下管功率損耗

3.2.1 B相下管續(xù)流損耗(t7-t8)，見圖5;

P_LS(Bphase)=P_LS(freewheel)=I²×Rds(on)×(1-D)=40²×0.015×(1-20/64)=16.5 W
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3.3 C相下管功率損耗

因?yàn)镃相下管一直導(dǎo)通，所以功率損耗計(jì)算如下：
P_LS(Cphase)=P_LS (on) = I²×Rds(on) = 40²×0.015 = 24 W
控制器的功率管總損耗為：
P_tatal=P_HS(Bphase)+P_LS(Bphase)+P_LS(Cphase)=16.35+16.5+24=56.85



4. 熱模型

圖5為TO-220典型的安裝結(jié)構(gòu)及熱模型。熱阻與電阻相似,所以我們可以將Rth(ja)看著幾個(gè)小的電阻串聯(lián)，從而有如下公式：
Rth(ja) = Rth(jc) + Rth(ch) + Rth(ha)

其中：
Rth(jc)--- 結(jié)點(diǎn)至MOSFET表面的熱阻
Rth(ch)---MOSFET表面至散熱器的熱阻
Rth(ha)---散熱器至環(huán)境的熱阻 (與散熱器的安裝方式有關(guān))

通常熱量從結(jié)點(diǎn)至散熱器是通過傳導(dǎo)方式進(jìn)行的，從散熱器至環(huán)境是通過傳導(dǎo)和對(duì)流方式。Rth(jc)是由器件決定的,所以對(duì)一個(gè)系統(tǒng)，如果MOSFET已確定，為了獲得較小的熱阻我們可以選擇較好的熱傳導(dǎo)材料并且將MOSFET很好地安裝在散熱器上。

5. 穩(wěn)態(tài)溫升的計(jì)算

從AOT430的數(shù)據(jù)手冊(cè)我們可以獲得如下參數(shù)：
Tjmax=175℃ Rth(jc)max = 0.56 ℃/W

5.1 電機(jī)運(yùn)行時(shí)MOSFET結(jié)點(diǎn)至其表面的溫升計(jì)算
(因?yàn)殡姍C(jī)在運(yùn)行時(shí)，上管和下管只有三分之一的時(shí)間工作，所以平均功率應(yīng)除以3)：

5.1.1上管結(jié)點(diǎn)至功率管表面的穩(wěn)態(tài)溫升
Tjc=Tj-Tc=Phs/3 ×Rth(jc)=16.35/3 ×0.56=3℃

5.1.2下管結(jié)點(diǎn)至功率管表面的穩(wěn)態(tài)溫升
Tjc=Tj-Tc= Pls×Rth(jc)=(16.5+24)/3 ×0.56=7.56℃

5.2 電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)MOSFET結(jié)點(diǎn)至其表面的溫升計(jì)算

5.2.1 B相上管結(jié)點(diǎn)至功率管表面的穩(wěn)態(tài)溫升
Tjc=Tj-Tc=Phs×Rth(jc)=16.35×0.56=9.2℃

5.2.2 B相下管結(jié)點(diǎn)至功率管表面的穩(wěn)態(tài)溫升
Tjc=Tj-Tc=Pls×Rth(jc)=16.5×0.56=9.24℃

5.2.3 C相下管結(jié)點(diǎn)至功率管表面的穩(wěn)態(tài)溫升
Tjc=Tj-Tc=PLS(Cphase)×Rth(jc)=24×0.56=13.44℃

由以上計(jì)算可知，在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)控制器中一直導(dǎo)通的MOSFET（下管）的溫升最大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的MOSFET溫升。
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6. 選擇合適的導(dǎo)熱材料

圖7為SilPad系列導(dǎo)熱材料對(duì)TO-220封裝的導(dǎo)熱性能隨壓力變化的曲線。

6.1 導(dǎo)熱材料為SilPad-400，壓力為200psi時(shí)，其熱阻Rth(ch)為4.64 ℃/W。
則：Tch=Tc-Th= PLS×Rth(ch)=24×4.64=111℃

6.2 導(dǎo)熱材料為SilPad-900S，壓力為200psi時(shí)，其熱阻Rth(ch)為2.25℃/W。
則：Tch=Tc-Th= PLS×Rth(ch)=24×2.25=54℃

可見，不同的導(dǎo)熱材料對(duì)溫升的影響很大，為了降低MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫升，我們可以選擇較好的熱傳導(dǎo)材料來獲得較好的熱傳導(dǎo)性能，從而達(dá)到我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

為了使控制器更加可靠，通常我們將MOSFET表面溫度控制在100℃以下，這是因?yàn)樵谑褂弥羞€會(huì)有其他高能量的脈沖出現(xiàn)，譬如，電機(jī)相線短路，負(fù)載突然變大等。

7．熱仿真

由于在實(shí)際應(yīng)用中我們很難確定散熱器表面至環(huán)境的熱阻，要想完全通過計(jì)算來進(jìn)行熱設(shè)計(jì)是比較困難得，因此我們可以借助熱仿真軟件來進(jìn)行仿真，從而達(dá)到我們?cè)O(shè)計(jì)的目的。

仿真條件：Ptotal=56.85W、Ta=45℃、控制器散熱器尺寸：70mm×110mm×30mm 、自然風(fēng)冷，MOSFET安裝如圖8所示。

7.1 電機(jī)運(yùn)行時(shí)控制器的熱仿真

由圖8可見，下管的溫升明顯高于上管的溫升。

7.2 電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)控制器的熱仿真

由圖10可知，堵轉(zhuǎn)時(shí)一直導(dǎo)通的下管最熱，溫度已接近150℃。由圖11可知，在堵轉(zhuǎn)100秒后MOSFET的溫升還未穩(wěn)定，如果一直堵轉(zhuǎn)，必將燒壞MOSFET。因此，如果使用仿真中的散熱器尺寸，就不能一直堵轉(zhuǎn)，必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施。我們可以采用間隙保護(hù)的方法，即當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，堵轉(zhuǎn)一段時(shí)間，保護(hù)一段時(shí)間，讓MOSFET的溫度不超過最大結(jié)點(diǎn)溫度。圖12所示為堵轉(zhuǎn)1.5s，保護(hù)1.5s的瞬態(tài)溫升示意圖，由圖可知，采用這種方法可以有效地保護(hù)MOSFET。

結(jié)語:
 控制器的熱設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段是非常重要的，我們必須經(jīng)過功耗的計(jì)算、熱模型的分析、熱仿真等來計(jì)算溫升，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮最嚴(yán)酷的應(yīng)用環(huán)境，最后還要通過實(shí)際試驗(yàn)來驗(yàn)證我們熱設(shè)計(jì)的正確性。
在此特別感謝來自美國(guó)的劉凱博士為這篇文章提供了熱設(shè)計(jì)的指導(dǎo)和控制器的熱仿真。