摘 要：本文介紹了電動(dòng)自行車(chē)無(wú)刷電機(jī)控制器的熱設(shè)計(jì)。其中包括控制器工作原理的介紹、
MOSFET功率損耗的計(jì)算、熱模型的分析、穩(wěn)態(tài)溫升的計(jì)算、導(dǎo)熱材料的選擇、熱仿真等。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車(chē) 控制器 MOSFET熱設(shè)計(jì)
1. 引言
由于功率MOSFET具有驅(qū)動(dòng)電流小、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在電動(dòng)車(chē)的控制器里。但是如果設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)，會(huì)經(jīng)常損壞MOSFET，而且一旦損壞后MOSFET的漏源極短路，晶圓通常會(huì)被燒得很?chē)?yán)重，大部分用戶(hù)無(wú)法準(zhǔn)確分析造成MOSFET損壞的原因。所以在設(shè)計(jì)階段，有關(guān)MOSFET的可靠性設(shè)計(jì)是致關(guān)重要的。
MOSFET通常的損壞模式包括：過(guò)流、過(guò)壓、雪崩擊穿、超出安全工作區(qū)等。但這些原因?qū)е碌膿p壞最終都是因?yàn)榫A溫度過(guò)高而損壞，所以在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，熱設(shè)計(jì)是非常重要的。MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫度必須經(jīng)過(guò)計(jì)算，確保在使用過(guò)程中MOSFET結(jié)點(diǎn)溫度不會(huì)超過(guò)其最大允許值。
2. 無(wú)刷電機(jī)控制器簡(jiǎn)介
由于無(wú)刷電機(jī)具有高扭矩、長(zhǎng)壽命、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，已在各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，其工作原理也已被大家廣為熟知，這里不再詳述。國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)電機(jī)控制器通常工作方式為三相六步，功率級(jí)原理圖如圖1所示，其中Q1, Q2為A相上管及下管；Q3, Q4為B相上管及下管；Q5, Q6為C相上管及下管。MOSFET全部使用AOT430。 MOSFET工作在兩兩導(dǎo)通方式，導(dǎo)通順序?yàn)镼1Q4→Q1Q6→Q3Q6→Q3Q2→Q5Q2→Q5Q4→Q1Q4，控制器的輸出通過(guò)調(diào)整上橋PWM脈寬實(shí)現(xiàn)，PWM頻率一般設(shè)置為18KHz以上。
當(dāng)電機(jī)及控制器工作在某一相時(shí)（假設(shè)B相上管Q3和C相下管Q6），在每一個(gè)PWM周期內(nèi)，有兩種工作狀態(tài)：
狀態(tài)1: Q3和Q6導(dǎo)通, 電流I1經(jīng)Q3、電機(jī)線圈L、Q6、電流檢測(cè)電阻Rs流入地。
狀態(tài)2: Q3關(guān)斷, Q6導(dǎo)通, 電流I2流經(jīng)電機(jī)線圈L、Q6、Q4，
此狀態(tài)稱(chēng)為續(xù)流狀態(tài)。在狀態(tài)2中，如果Q4導(dǎo)通，則稱(chēng)控制器為同步整流方式。如果Q4關(guān)斷，I2靠Q4體
二極管流通，則稱(chēng)為非同步整流工作方式。
流經(jīng)電機(jī)線圈L的電流I1和I2之和稱(chēng)為控制器相電流，流經(jīng)電流檢測(cè)電阻Rs的平均電流I1稱(chēng)為控制器的線電流，所以控制器的相電流要比控制器的線電流要大。
3. 功耗計(jì)算
控制器MOSFET的功率損耗隨著電機(jī)負(fù)載的加大而增加，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，控制器的MOSFET損耗達(dá)到最大（假設(shè)控制器為全輸出時(shí)）。為了分析方便，我們假設(shè)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)B相上管工作在PWM模式下，C相下管一直導(dǎo)通，B相下管為同步整流工作方式（見(jiàn)圖1）。電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的波形如圖2-圖5所示。
功率損耗計(jì)算如下：
3.1 B相上管功率損耗：
3.1.1 B相上管開(kāi)通損耗(t1-t2)，見(jiàn)圖2;
3.1.2 B相上管關(guān)斷損耗(t3-t4)，見(jiàn)圖3;
3.1.3 B相上管導(dǎo)通損耗(t5-t6)，見(jiàn)圖4;
B 相上管總損耗：
Phs(Bphase)=Phs(turn on)+Phs(turn off)+Phs(on)=5.1+3.75+7.5=16.35W
3.2 B相下管功率損耗：
3.2.1 B相下管續(xù)流損耗(t7-t8)，見(jiàn)圖5;
PLS(Bphase)=PLS(freewheel)=I
2×Rds(on)×(1-D)=40
2×0.015×(1-20/64)=16.5 W
3.3 C相下管功率損耗
因?yàn)镃相下管一直導(dǎo)通，所以功率損耗計(jì)算如下：
PLS(Cphase)=PLS (on) = I
2×Rds(on) = 40
2×0.015 = 24 W
控制器的功率管總損耗為：
Ptatal=PHS(Bphase)+PLS(Bphase)+PLS(Cphase)=16.35+16.5+24=56.85
4. 熱模型
圖5為T(mén)O-220典型的安裝結(jié)構(gòu)及熱模型。熱阻與電阻相似,所以我們可以將Rth(ja)看著幾個(gè)小的電阻串聯(lián)，從而有如下公式：
Rth(ja) = Rth(jc) + Rth(ch) + Rth(ha)
其中：
Rth(jc)--- 結(jié)點(diǎn)至
MOSFET表面的熱阻
Rth(ch)---MOSFET表面至散熱器的熱阻
Rth(ha)---散熱器至環(huán)境的熱阻 (與散熱器的安裝方式有關(guān))
圖6 熱阻模型
通常熱量從結(jié)點(diǎn)至散熱器是通過(guò)傳導(dǎo)方式進(jìn)行的，從散熱器至環(huán)境是通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流方式。Rth(jc)是由器件決定的,所以對(duì)一個(gè)系統(tǒng)，如果
MOSFET已確定，為了獲得較小的熱阻我們可以選擇較好的熱傳導(dǎo)材料并且將MOSFET很好地安裝在散熱器上。
5. 穩(wěn)態(tài)溫升的計(jì)算
從AOT430的數(shù)據(jù)手冊(cè)我們可以獲得如下參數(shù)：
Tjmax=175℃ Rth(jc)max = 0.56 ℃/W
5.1 電機(jī)運(yùn)行時(shí)MOSFET結(jié)點(diǎn)至其表面的溫升計(jì)算(因?yàn)殡姍C(jī)在運(yùn)行時(shí)，上管和下管只有三分之一的時(shí)間工作，所以平均功率應(yīng)除以3)：
5.1.1上管結(jié)點(diǎn)至功率管表面的穩(wěn)態(tài)溫升
5.1.2下管結(jié)點(diǎn)至功率管表面的穩(wěn)態(tài)溫升
5.2 電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)
MOSFET結(jié)點(diǎn)至其表面的溫升計(jì)算
5.2.1 B相上管結(jié)點(diǎn)至功率管表面的穩(wěn)態(tài)溫升
Tjc=Tj-Tc=Phs×Rth(jc)=16.35×0.56=9.2℃
5.2.2 B相下管結(jié)點(diǎn)至功率管表面的穩(wěn)態(tài)溫升
Tjc=Tj-Tc=Pls×Rth(jc)=16.5×0.56=9.24℃
5.2.3 C相下管結(jié)點(diǎn)至功率管表面的穩(wěn)態(tài)溫升
Tjc=Tj-Tc=PLS(Cphase)×Rth(jc)=24×0.56=13.44℃
由以上計(jì)算可知，在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)控制器中一直導(dǎo)通的MOSFET（下管）的溫升最大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的MOSFET溫升。
6. 選擇合適的導(dǎo)熱材料
圖7為SilPad系列導(dǎo)熱材料對(duì)TO-220封裝的導(dǎo)熱性能隨壓力變化的曲線。
圖7
6.1 導(dǎo)熱材料為SilPad-400，壓力為200psi時(shí)，其熱阻Rth(ch)為4.64 ℃/W。
則：Tch=Tc-Th= PLS×Rth(ch)=24×4.64=111℃
6.2 導(dǎo)熱材料為SilPad-900S，壓力為200psi時(shí)，其熱阻Rth(ch)為2.25℃/W。
則：Tch=Tc-Th= PLS×Rth(ch)=24×2.25=54℃
可見(jiàn)，不同的導(dǎo)熱材料對(duì)溫升的影響很大，為了降低MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫升，我們可以選擇較好的熱傳導(dǎo)材料來(lái)獲得較好的熱傳導(dǎo)性能，從而達(dá)到我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
為了使控制器更加可靠，通常我們將MOSFET表面溫度控制在100℃以下，這是因?yàn)樵谑褂弥羞€會(huì)有其他高能量的脈沖出現(xiàn)，譬如，電機(jī)相線短路，負(fù)載突然變大等。
7．熱仿真：
由于在實(shí)際應(yīng)用中我們很難確定散熱器表面至環(huán)境的熱阻，要想完全通過(guò)計(jì)算來(lái)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)是比較困難得，因此我們可以借助熱仿真軟件來(lái)進(jìn)行仿真，從而達(dá)到我們?cè)O(shè)計(jì)的目的。
仿真條件：Ptotal=56.85W、Ta=45℃、控制器散熱器尺寸：70mm×110mm×30mm 、自然風(fēng)冷，MOSFET安裝如圖8所示。
圖8 MOSFET安裝示意圖
7.1 電機(jī)運(yùn)行時(shí)控制器的熱仿真
由圖9可見(jiàn)，下管的溫升明顯高于上管的溫升。
7.2 電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)控制器的熱仿真
由圖10可知，堵轉(zhuǎn)時(shí)一直導(dǎo)通的下管最熱，溫度已接近150℃。由圖11可知，在堵轉(zhuǎn)100秒后MOSFET的溫升還未穩(wěn)定，如果一直堵轉(zhuǎn)，必將燒壞MOSFET。因此，如果使用仿真中的散熱器尺寸，就不能一直堵轉(zhuǎn)，必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施。我們可以采用間隙保護(hù)的方法，即當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，堵轉(zhuǎn)一段時(shí)間，保護(hù)一段時(shí)間，讓MOSFET的溫度不超過(guò)最大結(jié)點(diǎn)溫度。圖12所示為堵轉(zhuǎn)1.5s，保護(hù)1.5s的瞬態(tài)溫升示意圖，由圖可知，采用這種方法可以有效地保護(hù)MOSFET。
圖10：堵轉(zhuǎn)時(shí)溫升示意圖
結(jié)語(yǔ): 控制器的熱設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段是非常重要的，我們必須經(jīng)過(guò)功耗的計(jì)算、熱模型的分析、熱仿真等來(lái)計(jì)算溫升，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮最嚴(yán)酷的應(yīng)用環(huán)境，最后還要通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證我們熱設(shè)計(jì)的正確性。
在此特別感謝來(lái)自美國(guó)的劉凱博士為這篇文章提供了熱設(shè)計(jì)的指導(dǎo)和控制器的熱仿真。
萬(wàn)代半導(dǎo)體元件（上海）有限公司 高級(jí)應(yīng)用工程師 葛小榮
萬(wàn)代半導(dǎo)體元件有限公司 高級(jí)封裝研發(fā)工程師 劉 凱
