電動車無刷電機控制器短路的工作模型

議題內(nèi)容：

電動車無刷電機控制器短路的工作模型
控制器在短路時MOSFET的工作狀態(tài)
計算MOSFET瞬態(tài)溫升的計算公式
設(shè)定短路保護時間的原則
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)確定允許的短路時間
工作溫度越高短路保護時間就應(yīng)該越短
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為電機線圈，Rs為電流檢測電阻。

當(dāng)控制器工作時，如電機短路，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，達幾百安培，MOSFET的瞬態(tài)溫升很大，這種情況下應(yīng)及時保護，否則會使MOSFET結(jié)點溫度過高而使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)計合理的保護時間。
短路保護時間計算步驟：

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)點溫度
Rth（jc）：結(jié)點至表面的熱阻，可從元器件Date sheet中查得。
 
 
理論上MOSFET的結(jié)點溫度不能超過175℃，所以電機相線短路時MOSFET允許的溫升為：Trising = Tjmax - Tj = 175-109 = 66℃。[!--empirenews.page--]

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二測得波形存為EXCEL格式的數(shù)據(jù)，然后通過EXCEL進行積分，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)點至表面的熱阻，可從元器件Date sheet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，短路保護時間就應(yīng)該越短。

本文討論的短路保護時間是指MOSFET能承受的最長短路時間。在設(shè)計短路保護電路時，應(yīng)考慮硬件及軟件的響應(yīng)時間，以及電流保護的峰值，這些參數(shù)都會影響到最終的保護時間。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時間是單次短路保護時間，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，則短路保護時間應(yīng)更短。

4 結(jié)論

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