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如何計算電動車控制器短路保護(hù)時間

發(fā)布時間:2009-10-26 來源:萬代半導(dǎo)體元件上海有限公司

中心議題:
  • 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(hù)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(hù)時間就應(yīng)該越短
隨著電動車市場競爭的日益激烈,消費者和商家對整車的質(zhì)量及可靠性要求越來越高。與此同時,作為整車四大件之一的控制器的技術(shù)也不斷成熟,可靠性也越來越高,質(zhì)量已進(jìn)入一個相對穩(wěn)定的時期。由于在控制器的生產(chǎn)和使用過程中不可避免地會遇到相線短路的情況,如電機的線圈短路就會直接導(dǎo)致控制器的相線短路。因此,必須設(shè)計短路保護(hù)功能以提高控制器的可靠性。在實際應(yīng)用中,許多工程師面往往忽略了短路保護(hù)時間設(shè)計的問題,因此本文就如何確定短路保護(hù)時間作一些探討,以便能夠為設(shè)計人員在設(shè)計產(chǎn)品時作一些參考。

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(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。



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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:

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。
 
一般來說,一只控制器輸出功率為350W時,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。同時我們假設(shè)MOSFET工作時的表面溫度Tc為100℃(炎熱的夏季MOSFET的表面溫度一般都會達(dá)到此值),則:Tj = Tc+P× Rth(jc) = 100+20×0.45 = 109℃。
 
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℃。

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(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。
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