功率直流無(wú)刷電機的控制器VDMOS正確使用

在電動(dòng)自行車(chē)里，直流無(wú)刷電機的逆變器由六個(gè)功率VDMOS管和六個(gè)續流二極管組成，六個(gè)續流二極管分別寄生在這六個(gè)VDMOS管里，因而從控制器外面看只有六個(gè)VDMOS管。這六個(gè)VDMOS管通過(guò)大電流，它們的輸出直接是定子的繞組，因而是整個(gè)直流無(wú)刷電機系統里最脆弱的部分。同時(shí)電機的性能和可靠性也很大程度上取決于這六個(gè)VDMOS的性能和使用情況。下面我們來(lái)分析和討論VDMOS管的挑選和使用。在電動(dòng)自行車(chē)用無(wú)刷電機里，VDMOS管是用來(lái)作開(kāi)關(guān)使用的。當VDMOS管開(kāi)啟時(shí)，VDMOS管流過(guò)大電流，而VDMOS管上的電壓降很小;當VDMOS管關(guān)斷時(shí)，VDMOS管電流截止，VDMOS管上要承受很大電壓降。VDMOS管的性能主要由開(kāi)啟電壓，導通電阻和擊穿電壓來(lái)表征。VDMOS管開(kāi)關(guān)速度能遠大無(wú)刷電機的換相速度，可以不予考慮。控制器設計工程師在挑選VDMOS管時(shí)，注意力要放在開(kāi)啟電壓，導通電阻和擊穿電壓這三個(gè)關(guān)鍵參數上。

首先，要確保六個(gè)VDMOS管的開(kāi)啟電壓要一致，這樣才能確保兩相繞組能流過(guò)相等的電流，從微電子制造工藝的角度來(lái)講，這是一個(gè)難點(diǎn)，因為VDMOS管的開(kāi)啟電壓是通過(guò)橫向擴散來(lái)實(shí)現的，很難確保不同批次的VDMOS管產(chǎn)品的開(kāi)啟電壓一致。

第二，導通電阻要足夠小，控制器設計工程師通常只關(guān)心VDMOS管能承受的電流，其實(shí)，這取決于VDMOS管殼的散熱性能和導通電阻，在TO-220管殼的散熱性能一定的情況下，流過(guò)VDMOS管的電流會(huì )產(chǎn)生焦耳熱，與電流的平方和導通電阻成正比，電流承受能力就取決于導通電阻，對于電動(dòng)自行車(chē)用的VDMOS管，導通電阻應該在20毫歐姆以下，這樣小的導通電阻對VDMOS管殼的封裝質(zhì)量要有嚴格要求。

第三，要確保擊穿電壓足夠高。另外，逆變器里的續流二極管寄生在VDMOS管里，所以，控制器設計工程師還要注意VDMOS管里寄生源漏續流二極管的性能，要確保續流二極管能承受足夠的源漏電流和足夠快的二極管恢復時(shí)間，這樣才能保證控制器可以通過(guò)PWM技術(shù)來(lái)調節電機的輸出功率，并且減小電機換相時(shí)漏源電壓的過(guò)沖。

VDMOS功率開(kāi)關(guān)管屬于靜電敏感元器件，抗靜電能力比雙極晶體管弱得多。如果在裝運和焊接VDMOS功率管時(shí)，無(wú)防靜電設施，根據統計會(huì )導致超過(guò)30%的VDMOS功率開(kāi)關(guān)管受到靜電損傷。VDMOS功率開(kāi)關(guān)管受到靜電損傷后會(huì )有兩種可能。第一種可能，強靜電電壓引起柵源擊穿失效或者熔斷金屬化鋁條失效，使得VDMOS功率開(kāi)關(guān)管無(wú)法再使用，這會(huì )導致元器件浪費，增加成本，在控制器生產(chǎn)線(xiàn)上，這種情形并不多見(jiàn)，即使遇到了，在控制器成品測試時(shí)能夠發(fā)現，對控制器生產(chǎn)廠(chǎng)家并不造成太大的損失?？膳碌氖堑诙N可能，靜電電壓并沒(méi)有完全引起柵源擊穿失效或者完全熔斷金屬化鋁條失效，VDMOS功率開(kāi)關(guān)管仍然能夠使用，但是，這時(shí)的VDMOS功率開(kāi)關(guān)管的預期壽命和耐高溫能力已經(jīng)大為減小，會(huì )遠小于控制器生產(chǎn)廠(chǎng)家的保質(zhì)期，有時(shí)侯，這種受到靜電損傷的VDMOS功率開(kāi)關(guān)管的使用壽命降低到只有幾十分鐘，而在控制器出場(chǎng)時(shí)卻無(wú)法甄別，這會(huì )對控制器生產(chǎn)廠(chǎng)家、整車(chē)廠(chǎng)家和終端用戶(hù)帶來(lái)質(zhì)量和安全隱患?？刂破鲝S(chǎng)房里的防靜電設施的添置會(huì )增加很大的固定成本投資。通常小規?？刂破魃a(chǎn)廠(chǎng)家如沒(méi)有足夠資金添置防靜電設施，可以通過(guò)如下的辦法來(lái)減小VDMOS功率開(kāi)關(guān)管靜電損傷的可能性。首先，廠(chǎng)家要采購VDMOS功率開(kāi)關(guān)管要有防靜電包裝，正規的VDMOS管封裝廠(chǎng)家都會(huì )提供;第二，要保持生產(chǎn)車(chē)間有一定的濕度，這能減少操作員的操作過(guò)程引起靜電;第三，操作員在裝配和焊接VDMOS管時(shí)要帶防靜電手套，這些設施花費不多。VDMOS功率開(kāi)關(guān)管焊接到控制器的印刷電路板上以后，就不容易受到靜電損傷了。但是，這些辦法仍然無(wú)法完全消除靜電損傷。根據我們的經(jīng)驗和分析，發(fā)現電動(dòng)自行車(chē)出現故障，很大部分原因是由于控制器里的VDMOS功率開(kāi)關(guān)管造成的。一旦電機被燒毀，通常是由于控制器里的VDMOS功率開(kāi)關(guān)管被擊穿短路造成的。

主要有如下三個(gè)原因：

第一，控制器設計工程師常常只關(guān)心VDMOS管的性能，而不關(guān)心VDMOS管里寄生的續流二極管的特性，通常的VDMOS管生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的參數表上甚至根本不列出寄生的源漏二極管的參數，這對控制器逆變器設計會(huì )帶來(lái)致命的問(wèn)題。

第二，控制器設計工程師不能只考慮VDMOS管的電流承受能力，要把控制器里VDMOS管的散熱性能綜合考慮，如果散熱環(huán)境不好，要選取導通電阻更小的VDMOS管，當然這反過(guò)來(lái)會(huì )增加VDMOS管的采購成本。其實(shí)，通過(guò)改善控制器的散熱性能，同時(shí)也能提高控制器的使用壽命，能夠放松對VDMOS管導通電阻的要求，也能降低控制器的成本(控制器的成本里六個(gè)VDMOS管占超過(guò)三分之一)。

第三，在控制器裝配線(xiàn)上要注意防靜電，上面已經(jīng)作了詳細的討論，這里要強調的是：出廠(chǎng)時(shí)受到了靜電損傷而又無(wú)法檢測出來(lái)的控制器對整車(chē)廠(chǎng)用戶(hù)和控制器廠(chǎng)家是一個(gè)很大質(zhì)量和安全隱患，要引起足夠注意來(lái)避免。