摘 要：本文介紹了電動自行車無刷電機(jī)控制器的熱設(shè)計。其中包括控制器工作原理的介紹、MOSFET功率損耗的計算、熱模型的分析、穩(wěn)態(tài)溫升的計算、導(dǎo)熱材料的選擇、熱仿真等。
關(guān)鍵詞：電動自行車 控制器 MOSFET熱設(shè)計

1. 引言

由于功率MOSFET具有驅(qū)動電流小、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在電動車的控制器里。但是如果設(shè)計和使用不當(dāng)，會經(jīng)常損壞MOSFET，而且一旦損壞后MOSFET的漏源極短路，晶圓通常會被燒得很嚴(yán)重，大部分用戶無法準(zhǔn)確分析造成MOSFET損壞的原因。所以在設(shè)計階段，有關(guān)MOSFET的可靠性設(shè)計是致關(guān)重要的。

MOSFET通常的損壞模式包括：過流、過壓、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溫度過高而損壞，所以在設(shè)計控制器時，熱設(shè)計是非常重要的。MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫度必須經(jīng)過計算，確保在使用過程中MOSFET結(jié)點(diǎn)溫度不會超過其最大允許值。

2. 無刷電機(jī)控制器簡介

由于無刷電機(jī)具有高扭矩、長壽命、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。國內(nèi)電動車電機(jī)控制器通常工作方式為三相六步，功率級原理圖如圖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（假設(shè)B相上管Q3和C相下管Q6），在每一個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)稱為續(xù)流狀態(tài)。在狀態(tài)2中，如果Q4導(dǎo)通，則稱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之和稱為控制器相電流，流經(jīng)電流檢測電阻Rs的平均電流I1稱為控制器的線電流，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，控制器的MOSFET損耗達(dá)到最大（假設(shè)控制器為全輸出時）。為了分析方便，我們假設(shè)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時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（見圖1）。電機(jī)堵轉(zhuǎn)時的波形如圖2-圖5所示。

功率損耗計算如下：

3.1 B相上管功率損耗：

3.1.1 B相上管開通損耗(t1-t2)，見圖2;

3.1.2 B相上管關(guān)斷損耗(t3-t4)，見圖3;

3.1.3 B相上管導(dǎo)通損耗(t5-t6)，見圖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)，見圖5;

PLS(Bphase)=PLS(freewheel)=I2×Rds(on)×(1-D)=402×0.015×(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，所以功率損耗計算如下：

PLS(Cphase)=PLS (on) = I2×Rds(on) = 402×0.015 = 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TO-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)至散熱器是通過傳導(dǎo)方式進(jìn)行的，從散熱器至環(huán)境是通過傳導(dǎo)和對流方式。Rth(jc)是由器件決定的,所以對一個系統(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)溫升的計算

從AOT430的數(shù)據(jù)手冊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MOSFET結(jié)點(diǎn)至其表面的溫升計算(因?yàn)殡姍C(jī)在運(yùn)行時，上管和下管只有三分之一的時間工作，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MOSFET結(jié)點(diǎn)至其表面的溫升計算

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℃

由以上計算可知，在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時控制器中一直導(dǎo)通的MOSFET（下管）的溫升最大，在設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)考慮電機(jī)堵轉(zhuǎn)時的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，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，其熱阻Rth(ch)為2.25℃/W。

則：Tch=Tc-Th= PLS×Rth(ch)=24×2.25=54℃

可見，不同的導(dǎo)熱材料對溫升的影響很大，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)材料來獲得較好的熱傳導(dǎo)性能，從而達(dá)到我們的設(shè)計目標(biāo)。