中心議題:
- 電動車無刷電機(jī)控制器的短路模型及分析
- 合理的保護(hù)時間計算
- 設(shè)計短路保護(hù)應(yīng)注意的幾個問題
短路保護(hù)在瞬間大電流時能對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。本文介紹電動車無刷電機(jī)控制器短路的工作模型,主要內(nèi)容包括:短路模型及分析;計算合理的保護(hù)時間;設(shè)計短路保護(hù)應(yīng)注意的幾個問題。
1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為電流檢測電阻。
當(dāng)控制器工作時,如電機(jī)短路,則會形成如圖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)及時保護(hù),否則會使MOSFET結(jié)點(diǎn)溫度過高而使MOSFET損壞。短路時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,由于溫度過高,僅經(jīng)過10us的時間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峰值電流達(dá)500A,這是由于短路時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。
2計算合理的保護(hù)時間
在實際應(yīng)用中,不同設(shè)計的控制器,其回路電感和電阻存在一定的差別以及短路時的電源電壓不同,導(dǎo)致控制器三相輸出線短路時的短路電流各不相同,所以設(shè)計者應(yīng)跟據(jù)自己的實際電路和使用條件設(shè)計合理的保護(hù)時間。
短路保護(hù)時間計算步驟:
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2.1計算MOSFET短路時允許的瞬態(tài)溫升
因為控制器有可能是在正常工作時突然短路,所以我們的設(shè)計應(yīng)是基于正常工作時的溫度來計算允許的瞬態(tài)溫升。MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫度可由下式計算:
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Datesheet中查得。
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算允許的單脈沖時的熱阻
由圖2可知,短路時MOSFET耗散的功率約為:
P=Vds×I=25×400=10000W
脈沖的功率也可以通過將圖2測得波形存為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)。
對于MOSFET溫升計算有如下公式:
Trising=P×Zθjc×Rθjc
其中:
Rθjc------結(jié)點(diǎn)至表面的熱阻,可從元器件Datesheet中查得。
Zθjc------熱阻系數(shù)
Zθjc=Trising÷(P×Rθjc)
Zθjc=66÷(10000×0.45)=0.015
2.3根據(jù)單脈沖的熱阻系數(shù)確定允許的短路時間
由圖3最下面一條曲線(單脈沖)可知,對于單脈沖來說,要想獲得0.015的熱阻系數(shù),其脈沖寬度不能大于20us。
3設(shè)計短路保護(hù)應(yīng)注意的幾個問題
由于不同控制器的PCB布線參數(shù)不一樣,導(dǎo)致相線短路時回路阻抗不等,短路電流也因此不同。所以,不同設(shè)計的控制器應(yīng)根據(jù)實際情況設(shè)計確當(dāng)?shù)亩搪繁Wo(hù)時間。
由于應(yīng)用中使用的電源電壓有可能不同,也會導(dǎo)致短路電流的不同,同樣也會影響到保護(hù)時間。
注意控制器實際工作時的可能最高溫度,工作溫度越高,短路保護(hù)時間就應(yīng)該越短。
本文討論的短路保護(hù)時間是指MOSFET能承受的最長短路時間。在設(shè)計短路保護(hù)電路時,應(yīng)考慮硬件及軟件的響應(yīng)時間,以及電流保護(hù)的峰值,這些參數(shù)都會影響到最終的保護(hù)時間。因此,硬件電路設(shè)計和軟件的編寫致關(guān)重要。
本文討論的短路保護(hù)時間是單次短路保護(hù)時間,短路后短時間內(nèi)不能再次短路。如果設(shè)計成周期性短路保護(hù),則短路保護(hù)時間應(yīng)更短。
4結(jié)論
短路保護(hù)在瞬間大電流時能對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。