功率直流無刷電機的控制器VDMOS正確使用

在電動自行車里，直流無刷電機的逆變器由六個功率VDMOS管和六個續(xù)流二極管組成，六個續(xù)流二極管分別寄生在這六個VDMOS管里，因而從控制器外面看只有六個VDMOS管。這六個VDMOS管通過大電流，它們的輸出直接是定子的繞組，因而是整個直流無刷電機系統(tǒng)里最脆弱的部分。同時電機的性能和可靠性也很大程度上取決于這六個VDMOS的性能和使用情況。下面我們來分析和討論VDMOS管的挑選和使用。在電動自行車用無刷電機里，VDMOS管是用來作開關(guān)使用的。當(dāng)VDMOS管開啟時，VDMOS管流過大電流，而VDMOS管上的電壓降很小;當(dāng)VDMOS管關(guān)斷時，VDMOS管電流截止，VDMOS管上要承受很大電壓降。VDMOS管的性能主要由開啟電壓，導(dǎo)通電阻和擊穿電壓來表征。VDMOS管開關(guān)速度能遠大無刷電機的換相速度，可以不予考慮?？刂破髟O(shè)計工程師在挑選VDMOS管時，注意力要放在開啟電壓，導(dǎo)通電阻和擊穿電壓這三個關(guān)鍵參數(shù)上。

首先，要確保六個VDMOS管的開啟電壓要一致，這樣才能確保兩相繞組能流過相等的電流，從微電子制造工藝的角度來講，這是一個難點，因為VDMOS管的開啟電壓是通過橫向擴散來實現(xiàn)的，很難確保不同批次的VDMOS管產(chǎn)品的開啟電壓一致。

第二，導(dǎo)通電阻要足夠小，控制器設(shè)計工程師通常只關(guān)心VDMOS管能承受的電流，其實，這取決于VDMOS管殼的散熱性能和導(dǎo)通電阻，在TO-220管殼的散熱性能一定的情況下，流過VDMOS管的電流會產(chǎn)生焦耳熱，與電流的平方和導(dǎo)通電阻成正比，電流承受能力就取決于導(dǎo)通電阻，對于電動自行車用的VDMOS管，導(dǎo)通電阻應(yīng)該在20毫歐姆以下，這樣小的導(dǎo)通電阻對VDMOS管殼的封裝質(zhì)量要有嚴格要求。

第三，要確保擊穿電壓足夠高。另外，逆變器里的續(xù)流二極管寄生在VDMOS管里，所以，控制器設(shè)計工程師還要注意VDMOS管里寄生源漏續(xù)流二極管的性能，要確保續(xù)流二極管能承受足夠的源漏電流和足夠快的二極管恢復(fù)時間，這樣才能保證控制器可以通過PWM技術(shù)來調(diào)節(jié)電機的輸出功率，并且減小電機換相時漏源電壓的過沖。

VDMOS功率開關(guān)管屬于靜電敏感元器件，抗靜電能力比雙極晶體管弱得多。如果在裝運和焊接VDMOS功率管時，無防靜電設(shè)施，根據(jù)統(tǒng)計會導(dǎo)致超過30%的VDMOS功率開關(guān)管受到靜電損傷。VDMOS功率開關(guān)管受到靜電損傷后會有兩種可能。第一種可能，強靜電電壓引起柵源擊穿失效或者熔斷金屬化鋁條失效，使得VDMOS功率開關(guān)管無法再使用，這會導(dǎo)致元器件浪費，增加成本，在控制器生產(chǎn)線上，這種情形并不多見，即使遇到了，在控制器成品測試時能夠發(fā)現(xiàn)，對控制器生產(chǎn)廠家并不造成太大的損失?？膳碌氖堑诙N可能，靜電電壓并沒有完全引起柵源擊穿失效或者完全熔斷金屬化鋁條失效，VDMOS功率開關(guān)管仍然能夠使用，但是，這時的VDMOS功率開關(guān)管的預(yù)期壽命和耐高溫能力已經(jīng)大為減小，會遠小于控制器生產(chǎn)廠家的保質(zhì)期，有時侯，這種受到靜電損傷的VDMOS功率開關(guān)管的使用壽命降低到只有幾十分鐘，而在控制器出場時卻無法甄別，這會對控制器生產(chǎn)廠家、整車廠家和終端用戶帶來質(zhì)量和安全隱患?？刂破鲝S房里的防靜電設(shè)施的添置會增加很大的固定成本投資。通常小規(guī)?？刂破魃a(chǎn)廠家如沒有足夠資金添置防靜電設(shè)施，可以通過如下的辦法來減小VDMOS功率開關(guān)管靜電損傷的可能性。首先，廠家要采購VDMOS功率開關(guān)管要有防靜電包裝，正規(guī)的VDMOS管封裝廠家都會提供;第二，要保持生產(chǎn)車間有一定的濕度，這能減少操作員的操作過程引起靜電;第三，操作員在裝配和焊接VDMOS管時要帶防靜電手套，這些設(shè)施花費不多。VDMOS功率開關(guān)管焊接到控制器的印刷電路板上以后，就不容易受到靜電損傷了。但是，這些辦法仍然無法完全消除靜電損傷。根據(jù)我們的經(jīng)驗和分析，發(fā)現(xiàn)電動自行車出現(xiàn)故障，很大部分原因是由于控制器里的VDMOS功率開關(guān)管造成的。一旦電機被燒毀，通常是由于控制器里的VDMOS功率開關(guān)管被擊穿短路造成的。

主要有如下三個原因：

第一，控制器設(shè)計工程師常常只關(guān)心VDMOS管的性能，而不關(guān)心VDMOS管里寄生的續(xù)流二極管的特性，通常的VDMOS管生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)表上甚至根本不列出寄生的源漏二極管的參數(shù)，這對控制器逆變器設(shè)計會帶來致命的問題。

第二，控制器設(shè)計工程師不能只考慮VDMOS管的電流承受能力，要把控制器里VDMOS管的散熱性能綜合考慮，如果散熱環(huán)境不好，要選取導(dǎo)通電阻更小的VDMOS管，當(dāng)然這反過來會增加VDMOS管的采購成本。其實，通過改善控制器的散熱性能，同時也能提高控制器的使用壽命，能夠放松對VDMOS管導(dǎo)通電阻的要求，也能降低控制器的成本(控制器的成本里六個VDMOS管占超過三分之一)。

第三，在控制器裝配線上要注意防靜電，上面已經(jīng)作了詳細的討論，這里要強調(diào)的是：出廠時受到了靜電損傷而又無法檢測出來的控制器對整車廠用戶和控制器廠家是一個很大質(zhì)量和安全隱患，要引起足夠注意來避免。