關(guān)于如何確定電動(dòng)車(chē)控制器“短路保護時(shí)間”的探討

隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)競爭的日益激烈，消費者和商家對整車(chē)的質(zhì)量及可靠性要求越來(lái)越高。與此同時(shí)，作為整車(chē)四大件之一的控制器的技術(shù)也不斷成熟，可靠性也越來(lái)越高，質(zhì)量已進(jìn)入一個(gè)相對穩定的時(shí)期。由于在控制器的生產(chǎn)和使用過(guò)程中不可避免地會(huì )遇到相線(xiàn)短路的情況，如電機的線(xiàn)圈短路就會(huì )直接導致控制器的相線(xiàn)短路。因此，必須設計短路保護功能以提高控制器的可靠性。在實(shí)際應用中，許多工程師面往往忽略了短路保護時(shí)間設計的問(wèn)題，因此本文就如何確定短路保護時(shí)間作一些探討，以便能夠為設計人員在設計產(chǎn)品時(shí)作一些參考。
短路模型及分析

短路模型如圖1所示，其中僅畫(huà)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(xiàn)圈，Rs為電流檢測電阻。

當控制器工作時(shí)，如電機短路，則會(huì )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，達幾百安培，MOSFET的瞬態(tài)溫升很大，這種情況下應及時(shí)保護，否則會(huì )使MOSFET結點(diǎn)溫度過(guò)高而使MOSFET損壞。短路時(shí)Q3電壓和電流波形如圖2所示。圖2a中的MOSFET能承受45μs的大電流短路，而圖2b中的MOSFET不能承受45μs的大電流短路，當脈沖45μs關(guān)斷后，Vds回升，由于溫度過(guò)高，僅經(jīng)過(guò)10μs的時(shí)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(shí)峰值電流達500A，這是由于短路時(shí)MOSFET直接將電源正負極短路，回路阻抗是導線(xiàn)，PCB走線(xiàn)及MOSFET的Rds(on)之和，其數值很小，一般為幾十毫歐至幾百毫歐。

合理計算保護時(shí)間

在實(shí)際應用中，不同設計的控制器，其回路電感和電阻存在一定的差別以及短路時(shí)的電源電壓不同，導致控制器三相輸出線(xiàn)短路時(shí)的短路電流各不相同，所以設計者應跟據自己的實(shí)際電路和使用條件設計合理的保護時(shí)間。

圖1

圖 2

短路保護時(shí)間計算步驟：

①計算MOSFET短路時(shí)允許的瞬態(tài)溫升

因為控制器有可能是在正常工作時(shí)突然短路，所以我們的設計應是基于正常工作時(shí)的溫度來(lái)計算允許的瞬態(tài)溫升。MOSFET的結點(diǎn)溫度可由下式計算：Tj = Tc + P×Rth(jc)

其中：

Tc：MOSFET表面溫度

Tj：MOSFET結點(diǎn)溫度

Rth(jc)：結點(diǎn)至表面的熱阻，可從元器件Date sheet中查得。

一般來(lái)說(shuō)，一只控制器輸出功率為350W時(shí)，并且采用同步整流技術(shù)，續流側MOSFET的耗散功率為20W左右，即P=20W。同時(shí)我們假設MOSFET工作時(shí)的表面溫度Tc為100℃(炎熱的夏季MOSFET的表面溫度一般都會(huì )達到此值)，則： Tj = Tc+P×Rth(jc) = 100+20×0.45 = 109℃。

理論上MOSFET的結點(diǎn)溫度不能超過(guò)175℃，所以電機相線(xiàn)短路時(shí)MOSFET允許的溫升為：Trising = Tjmax - Tj = 175-109 = 66℃

②根據瞬態(tài)溫升和單脈沖功率計算允許的單脈沖時(shí)的熱阻

由圖2可知，短路時(shí)MOSFET耗散的功率約為：P = Vds×I = 25×400 = 10,000W

脈沖的功率也可以通過(guò)將圖二測得波形存為EXCEL格式的數據，然后通過(guò)EXCEL進(jìn)行積分，從而得到比較精確的脈沖功率數據。

對于MOSFET溫升計算有如下公式： Trising = P×Zθjc×Rθjc

其中：Rθjc: 結點(diǎn)至表面的熱阻，可從元器件Date sheet中查得。

Zθjc: 熱阻系數

由上式變形可得: Zθjc = Trising÷(P×Rθjc)

代入數據得：Zθjc = 66÷(10,000×0.45)= 0.015

③根據單脈沖的熱阻系數確定允許的短路時(shí)間

由圖3最下面一條曲線(xiàn)(單脈沖)可知，對于單脈沖來(lái)說(shuō)，要想獲得0.015的熱阻系數，其脈沖寬度不能大于20μs。

圖3

設計短路保護應注意的幾個(gè)問(wèn)題：

①由于不同控制器的PCB布線(xiàn)參數不一樣，導致相線(xiàn)短路時(shí)回路阻抗不等，短路電流也因此不同。所以，不同設計的控制器應根據實(shí)際情況設計確當的短路保護時(shí)間。

②由于應用中使用的電源電壓有可能不同，也會(huì )導致短路電流的不同，同樣也會(huì )影響到保護時(shí)間。

③注意控制器實(shí)際工作時(shí)的可能最高溫度，工作溫度越高，短路保護時(shí)間就應該越短。

④本文討論的短路保護時(shí)間是指MOSFET能承受的最長(cháng)短路時(shí)間。在設計短路保護電路時(shí)，應考慮硬件及軟件的響應時(shí)間，以及電流保護的峰值，這些參數都會(huì )影響到最終的保護時(shí)間。因此，硬件電路設計和軟件的編寫(xiě)致關(guān)重要。

⑤本文討論的短路保護時(shí)間是單次短路保護時(shí)間，短路后短時(shí)間內不能再次短路。如果設計成周期性短路保護，則短路保護時(shí)間應更短。

短路保護在瞬間大電流時(shí)能對MOSFET提供可靠的快速保護，大大增加了控制的可靠性，減少了控制器的損壞率。

圖4：智能無(wú)刷控制器功能圖。

作者：葛小榮

高級應用工程師

萬(wàn)代半導體元件(上海)有限公司