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如何計(jì)算電動(dòng)車(chē)控制器短路保護(hù)時(shí)間

發(fā)布時(shí)間:2009-10-26 來(lái)源:萬(wàn)代半導(dǎo)體元件上海有限公司

中心議題:
  • 電動(dòng)車(chē)無(wú)刷電機(jī)控制器短路的工作模型
  • 控制器在短路時(shí)MOSFET的工作狀態(tài)
  • 計(jì)算MOSFET瞬態(tài)溫升的計(jì)算公式
  • 設(shè)定短路保護(hù)時(shí)間的原則
解決方案:
  • 溫升公式:Tj = Tc + P × Rth(jc)
  • 根據(jù)單脈沖的熱阻系數(shù)確定允許的短路時(shí)間
  • 工作溫度越高短路保護(hù)時(shí)間就應(yīng)該越短
隨著電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈,消費(fèi)者和商家對(duì)整車(chē)的質(zhì)量及可靠性要求越來(lái)越高。與此同時(shí),作為整車(chē)四大件之一的控制器的技術(shù)也不斷成熟,可靠性也越來(lái)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(guò)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(wèn)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。

1 短路模型及分析

短路模型如圖1所示,其中僅畫(huà)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(guò)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45us的大電流短路,而圖2b中的MOSFET不能承受45us的大電流短路,當(dāng)脈沖45us關(guān)斷后,Vds回升,由于溫度過(guò)高,僅經(jīng)過(guò)10us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。



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2 計(jì)算合理的保護(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。
短路保護(hù)時(shí)間計(jì)算步驟:

2.1 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(lái)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(lái)說(shuō),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(guò)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℃。

2.2 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 = 10000W
脈沖的功率也可以通過(guò)將圖二測(cè)得波形存為EXCEL格式的數(shù)據(jù),然后通過(guò)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 ÷ (10000 × 0.45)= 0.015

2.3 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(lái)說(shuō),要想獲得0.015的熱阻系數(shù),其脈沖寬度不能大于20us。


3 設(shè)計(jì)短路保護(hù)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

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。

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。

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。

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(xiě)致關(guān)重要。

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。

4 結(jié)論

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。
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