選擇自鉗位MOSFET提高電動(dòng)工具系統可靠性

電動(dòng)工具由于其設計輕巧、動(dòng)力強勁、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在各種場(chǎng)合得到了廣泛的應用。電動(dòng)工具一般采用直流有刷電機配合電子無(wú)級調速電路實(shí)現，具有起動(dòng)靈敏并可正反調速等功能，如手電鉆、電動(dòng)起子等。無(wú)級調速電路一般采用PWM工作方式來(lái)實(shí)現。由于電機的內阻較小，一般只有一百多毫歐，因此，在PWM開(kāi)通期間的峰值電流很大；在PWM關(guān)斷時(shí)由于高di/dt在線(xiàn)路引線(xiàn)電感上產(chǎn)生的高感應電壓，都對系統中的MOSFET的強壯性提出了很高的要求。本文就如何優(yōu)化開(kāi)關(guān)波形以及如何選擇合適的MOSFET做一些分析。
　　

驅動(dòng)電路工作原理

圖1為電動(dòng)工具及控制器的結構圖。圖中驅動(dòng)電路通常由芯片555組成，工作頻率一般在10KHz以?xún)?，其工作過(guò)程如下所述。

圖1：電動(dòng)工具及控制器的結構圖

(a) 電動(dòng)工具； (b) 電動(dòng)工具控制器電路示意圖

當MOSFET開(kāi)通時(shí)，電流通過(guò)電池正極→線(xiàn)路引線(xiàn)電感→電機線(xiàn)圈→MOSFET→電池負極形成回路，電機線(xiàn)圈電流等于MOSFET中的電流，續流二極管截止。當MOSFET關(guān)斷時(shí)，電機線(xiàn)圈通過(guò)二極管D1續流，電機電流基本維持不變。但MOSFET和引線(xiàn)電感中的電流隨著(zhù)MOSFET的關(guān)斷而迅速變?yōu)榱?，在線(xiàn)路引線(xiàn)電感中產(chǎn)生很大的感應電勢LW di/dt，其方向如圖1b中紅色箭頭所示。這樣的感應電勢與電池電壓疊加會(huì )產(chǎn)生很高的尖峰電壓，如圖2中的紅色部分。如果這些尖峰電壓超過(guò)MOSFET的擊穿電壓，將會(huì )導致系統可靠性大幅降低。通過(guò)調整MOSFET的PWM占空比可以在電機線(xiàn)圈中得到不同的平均電流，從而實(shí)現電機的無(wú)級調速。

圖2：電動(dòng)工具中MOSFET的開(kāi)關(guān)波形

(a) MOSFET的開(kāi)關(guān)波形；(b) 開(kāi)通波形； (c) 關(guān)斷波形　

MOSFET的功耗計算

圖2為電動(dòng)工具中MOSFET(AOT500)的開(kāi)關(guān)波形。MOSFET的功率損耗由導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗組成，分別如下：

⑴ 導通損耗

其中，
⑵ 開(kāi)關(guān)損耗　　

由于MOSFET開(kāi)通時(shí)有相對較大的電機線(xiàn)圈電感存在，MOSFET由關(guān)斷狀態(tài)到完全打開(kāi)的過(guò)程中流過(guò)MOSFET的電流很小，所以開(kāi)通損耗很小，可以忽略。關(guān)斷損耗如下：

其中：VCLAMP為MOSFET關(guān)斷時(shí)的鉗位電壓，E為電池電壓，LW為線(xiàn)路電感。

MOSFET的總損耗為：

MOSFET的極點(diǎn)溫度為：