MOSFET功率损耗的计算

1、MOSFET功率损耗的计算摘 要：本文介绍了电动自行车无刷电机控制器的热设计。其中包括控制器工作原理的介绍、MOSFET功率损耗的计算、热模型的分析、稳态温升的计算、导热材料的选择、热仿真等。关键词：电动自行车 控制器 MOSFET热设计1. 引言由于功率MOSFET具有驱动电流小、开关速度快等优点，已经被广泛地应用在电动车的控制器里。但是如果设计和使用不当，会经常损坏MOSFET，而且一旦损坏后MOSFET的漏源极短路，晶圆通常会被烧得很严重，大部分用户无法准确分析造成MOSFET损坏的原因。所以在设计阶段，有关MOSFET的可靠性设计是致关重要的。MOSFET通常的损坏模式包括：过流、过压

2、、雪崩击穿、超出安全工作区等。但这些原因导致的损坏最终都是因为晶圆温度过高而损坏，所以在设计控制器时，热设计是非常重要的。MOSFET的结点温度必须经过计算，确保在使用过程中MOSFET结点温度不会超过其最大允许值。2. 无刷电机控制器简介由于无刷电机具有高扭矩、长寿命、低噪声等优点，已在各领域中得到了广泛应用，其工作原理也已被大家广为熟知，这里不再详述。国内电动车电机控制器通常工作方式为三相六步，功率级原理图如图1所示，其中Q1, Q2为A相上管及下管；Q3, Q4为B相上管及下管；Q5, Q6为C相上管及下管。MOSFET全部使用AOT430。 MOSFET工作在两两导通方式，导通顺序为Q

3、1Q4Q1Q6Q3Q6Q3Q2Q5Q2Q5Q4Q1Q4，控制器的输出通过调整上桥PWM脉宽实现，PWM频率一般设置为18KHz以上。 当电机及控制器工作在某一相时（假设B相上管Q3和C相下管Q6），在每一个PWM周期内，有两种工作状态：状态1: Q3和Q6导通, 电流I1经Q3、电机线圈L、Q6、电流检测电阻Rs流入地。状态2: Q3关断, Q6导通, 电流I2流经电机线圈L、Q6、Q4，此状态称为续流状态。在状态2中，如果Q4导通，则称控制器为同步整流方式。如果Q4关断，I2靠Q4体二极管流通，则称为非同步整流工作方式。流经电机线圈L的电流I1和I2之和称为控制器相电流，流经电流检测电阻Rs

4、的平均电流I1称为控制器的线电流，所以控制器的相电流要比控制器的线电流要大。3. 功耗计算控制器MOSFET的功率损耗随着电机负载的加大而增加，当电机堵转时，控制器的MOSFET损耗达到最大（假设控制器为全输出时）。为了分析方便，我们假设电机堵转时B相上管工作在PWM模式下，C相下管一直导通，B相下管为同步整流工作方式（见图1）。电机堵转时的波形如图2-图5所示。 功率损耗计算如下： 3.1 B相上管功率损耗： B相上管开通损耗(t1-t2)，见图2; B相上管关断损耗(t3-t4)，见图3; B相上管导通损耗(t5-t6)，见图4; B 相上管总损耗：Phs(Bphase)=Phs(turn

5、 on)+Phs(turn off)+Phs(on)=5.1+3.75+7.5=16.35W3.2 B相下管功率损耗： B相下管续流损耗(t7-t8)，见图5;PLS(Bphase)=PLS(freewheel)=I2×Rds(on)×(1-D)=402×0.015×(1-20/64)=16.5 W3.3 C相下管功率损耗因为C相下管一直导通，所以功率损耗计算如下：PLS(Cphase)=PLS (on) = I2×Rds(on) = 402×0.015 = 24 W控制器的功率管总损耗为：Ptatal=PHS(Bphase)+PLS

6、(Bphase)+PLS(Cphase)=16.35+16.5+24=56.854. 热模型图5为TO-220典型的安装结构及热模型。热阻与电阻相似,所以我们可以将Rth(ja)看着几个小的电阻串联，从而有如下公式：Rth(ja) = Rth(jc) + Rth(ch) + Rth(ha)其中：Rth(jc)- 结点至MOSFET表面的热阻Rth(ch)-MOSFET表面至散热器的热阻Rth(ha)-散热器至环境的热阻 (与散热器的安装方式有关) 图6 热阻模型通常热量从结点至散热器是通过传导方式进行的，从散热器至环境是通过传导和对流方式。Rth(jc)是由器件决定的,所以对一个系统，如果MO

7、SFET已确定，为了获得较小的热阻我们可以选择较好的热传导材料并且将MOSFET很好地安装在散热器上。5. 稳态温升的计算从AOT430的数据手册我们可以获得如下参数：Tjmax=175 Rth(jc)max = 0.56 /W5.1 电机运行时MOSFET结点至其表面的温升计算(因为电机在运行时，上管和下管只有三分之一的时间工作，所以平均功率应除以3)：上管结点至功率管表面的稳态温升 下管结点至功率管表面的稳态温升 5.2 电机堵转时MOSFET结点至其表面的温升计算 B相上管结点至功率管表面的稳态温升Tjc=Tj-Tc=Phs×Rth(jc)=16.35×0.56=9.

8、25.2.2 B相下管结点至功率管表面的稳态温升Tjc=Tj-Tc=Pls×Rth(jc)=16.5×0.56=9.245.2.3 C相下管结点至功率管表面的稳态温升Tjc=Tj-Tc=PLS(Cphase)×Rth(jc)=24×0.56=13.44由以上计算可知，在电机堵转时控制器中一直导通的MOSFET（下管）的温升最大，在设计时应重点考虑电机堵转时的MOSFET温升。6. 选择合适的导热材料图7为SilPad系列导热材料对TO-220封装的导热性能随压力变化的曲线。 图76.1 导热材料为SilPad-400，压力为200psi时，其热阻Rth(

9、ch)为4.64 /W。则：Tch=Tc-Th= PLS×Rth(ch)=24×4.64=1116.2 导热材料为SilPad-900S，压力为200psi时，其热阻Rth(ch)为2.25/W。则：Tch=Tc-Th= PLS×Rth(ch)=24×2.25=54可见，不同的导热材料对温升的影响很大，为了降低MOSFET的结点温升，我们可以选择较好的热传导材料来获得较好的热传导性能，从而达到我们的设计目标。为了使控制器更加可靠，通常我们将MOSFET表面温度控制在100以下，这是因为在使用中还会有其他高能量的脉冲出现，譬如，电机相线短路，负载突然变大等

10、。7热仿真：由于在实际应用中我们很难确定散热器表面至环境的热阻，要想完全通过计算来进行热设计是比较困难得，因此我们可以借助热仿真软件来进行仿真，从而达到我们设计的目的。仿真条件：Ptotal=56.85W、Ta=45、控制器散热器尺寸：70mm×110mm×30mm 、自然风冷，MOSFET安装如图8所示。 图8 MOSFET安装示意图7.1 电机运行时控制器的热仿真由图9可见，下管的温升明显高于上管的温升。 7.2 电机堵转时控制器的热仿真由图10可知，堵转时一直导通的下管最热，温度已接近150。由图11可知，在堵转100秒后MOSFET的温升还未稳定，如果一直堵转，必将烧坏MOSFET。因此，如果使用仿真中的散热器尺寸，就不能一直堵转，必须采取相应的保护措施。我们可以采用间隙保护的方法，即当电机堵转时，堵转一段时间，保护一段时间，让MOSFET的温度不超过最大结点温度。图12所示为堵转1.5s，保护1.5s的瞬态温升示意图，由图可知，采用这种方法可以有效地保护MOSFET。 图10：堵转时温升示意图结语: 控制器的热设计在产品的设计阶段