隨著電動(dòng)車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，消費(fèi)者和商家對(duì)整車的質(zhì)量及可靠性要求越來越高。與此同時(shí)，作為整車四大件之一的控制器的技術(shù)也不斷成熟，可靠性也越來越高，質(zhì)量已進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期。由于在控制器的生產(chǎn)和使用過程中不可避免地會(huì)遇到相線短路的情況，如電機(jī)的線圈短路就會(huì)直接導(dǎo)致控制器的相線短路。因此，必須設(shè)計(jì)短路保護(hù)功能以提高控制器的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，許多工程師面往往忽略了短路保護(hù)時(shí)間設(shè)計(jì)的問題，因此本文就如何確定短路保護(hù)時(shí)間作一些探討，以便能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)作一些參考。
短路模型及分析

短路模型如圖1所示，其中僅畫出了功率輸出級(jí)的A、B兩相(共三相)。Q1和Q3為A相MOSFET，Q2和Q4為B相MOSFET，所有功率MOSFET均為AOT430。L1為電機(jī)線圈，Rs為電流檢測(cè)電阻。

當(dāng)控制器工作時(shí)，如電機(jī)短路，則會(huì)形成如圖1中所示的流經(jīng)Q2，Q3的短路電流，其電流值很大，達(dá)幾百安培，MOSFET的瞬態(tài)溫升很大，這種情況下應(yīng)及時(shí)保護(hù)，否則會(huì)使MOSFET結(jié)點(diǎn)溫度過高而使MOSFET損壞。短路時(shí)Q3電壓和電流波形如圖2所示。圖2a中的MOSFET能承受45μs的大電流短路，而圖2b中的MOSFET不能承受45μs的大電流短路，當(dāng)脈沖45μs關(guān)斷后，Vds回升，由于溫度過高，僅經(jīng)過10μs的時(shí)間MOSFET便短路，Vds迅速下降,短路電流迅速上升。由圖2我們可以看出短路時(shí)峰值電流達(dá)500A，這是由于短路時(shí)MOSFET直接將電源正負(fù)極短路，回路阻抗是導(dǎo)線，PCB走線及MOSFET的Rds(on)之和，其數(shù)值很小，一般為幾十毫歐至幾百毫歐。

合理計(jì)算保護(hù)時(shí)間

在實(shí)際應(yīng)用中，不同設(shè)計(jì)的控制器，其回路電感和電阻存在一定的差別以及短路時(shí)的電源電壓不同，導(dǎo)致控制器三相輸出線短路時(shí)的短路電流各不相同，所以設(shè)計(jì)者應(yīng)跟據(jù)自己的實(shí)際電路和使用條件設(shè)計(jì)合理的保護(hù)時(shí)間。

圖1

圖 2

短路保護(hù)時(shí)間計(jì)算步驟：

①計(jì)算MOSFET短路時(shí)允許的瞬態(tài)溫升

因?yàn)榭刂破饔锌赡苁窃谡９ぷ鲿r(shí)突然短路，所以我們的設(shè)計(jì)應(yīng)是基于正常工作時(shí)的溫度來計(jì)算允許的瞬態(tài)溫升。MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫度可由下式計(jì)算：Tj = Tc + P×Rth(jc)

其中：

Tc：MOSFET表面溫度

Tj：MOSFET結(jié)點(diǎn)溫度

Rth(jc)：結(jié)點(diǎn)至表面的熱阻，可從元器件Date sheet中查得。

一般來說，一只控制器輸出功率為350W時(shí)，并且采用同步整流技術(shù)，續(xù)流側(cè)MOSFET的耗散功率為20W左右，即P=20W。同時(shí)我們假設(shè)MOSFET工作時(shí)的表面溫度Tc為100℃(炎熱的夏季MOSFET的表面溫度一般都會(huì)達(dá)到此值)，則： Tj = Tc+P×Rth(jc) = 100+20×0.45 = 109℃。

理論上MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫度不能超過175℃，所以電機(jī)相線短路時(shí)MOSFET允許的溫升為：Trising = Tjmax - Tj = 175-109 = 66℃

②根據(jù)瞬態(tài)溫升和單脈沖功率計(jì)算允許的單脈沖時(shí)的熱阻

由圖2可知，短路時(shí)MOSFET耗散的功率約為：P = Vds×I = 25×400 = 10,000W

脈沖的功率也可以通過將圖二測(cè)得波形存為EXCEL格式的數(shù)據(jù)，然后通過EXCEL進(jìn)行積分，從而得到比較精確的脈沖功率數(shù)據(jù)。

對(duì)于MOSFET溫升計(jì)算有如下公式： Trising = P×Zθjc×Rθjc

其中：Rθjc: 結(jié)點(diǎn)至表面的熱阻，可從元器件Date sheet中查得。

Zθjc: 熱阻系數(shù)

由上式變形可得: Zθjc = Trising÷(P×Rθjc)

代入數(shù)據(jù)得：Zθjc = 66÷(10,000×0.45)= 0.015

③根據(jù)單脈沖的熱阻系數(shù)確定允許的短路時(shí)間

由圖3最下面一條曲線(單脈沖)可知，對(duì)于單脈沖來說，要想獲得0.015的熱阻系數(shù)，其脈沖寬度不能大于20μs。

圖3

設(shè)計(jì)短路保護(hù)應(yīng)注意的幾個(gè)問題：

①由于不同控制器的PCB布線參數(shù)不一樣，導(dǎo)致相線短路時(shí)回路阻抗不等，短路電流也因此不同。所以，不同設(shè)計(jì)的控制器應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)確當(dāng)?shù)亩搪繁Ｗo(hù)時(shí)間。

②由于應(yīng)用中使用的電源電壓有可能不同，也會(huì)導(dǎo)致短路電流的不同，同樣也會(huì)影響到保護(hù)時(shí)間。

③注意控制器實(shí)際工作時(shí)的可能最高溫度，工作溫度越高，短路保護(hù)時(shí)間就應(yīng)該越短。

④本文討論的短路保護(hù)時(shí)間是指MOSFET能承受的最長(zhǎng)短路時(shí)間。在設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路時(shí)，應(yīng)考慮硬件及軟件的響應(yīng)時(shí)間，以及電流保護(hù)的峰值，這些參數(shù)都會(huì)影響到最終的保護(hù)時(shí)間。因此，硬件電路設(shè)計(jì)和軟件的編寫致關(guān)重要。

⑤本文討論的短路保護(hù)時(shí)間是單次短路保護(hù)時(shí)間，短路后短時(shí)間內(nèi)不能再次短路。如果設(shè)計(jì)成周期性短路保護(hù)，則短路保護(hù)時(shí)間應(yīng)更短。

短路保護(hù)在瞬間大電流時(shí)能對(duì)MOSFET提供可靠的快速保護(hù)，大大增加了控制的可靠性，減少了控制器的損壞率。

圖4：智能無刷控制器功能圖。

作者：葛小榮

高級(jí)應(yīng)用工程師

萬代半導(dǎo)體元件(上海)有限公司