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选择自钳位MOSFET提高电动工具系统可靠性

我爱方案网| 自钳位,MOSFET,电动| 2011-07-29
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中心议题:
    * 选择自钳位MOSFET提高电动工具系统可靠性


电动工具由于其设计轻巧、动力强劲、使用方便等优点,在各种场合得到了广泛的应用。电动工具一般采用直流有刷电机配合电子无级调速电路实现,具有起动灵敏并可正反调速等功能,如手电钻、电动起子等。无级调速电路一般采用PWM工作方式来实现。由于电机的内阻较小,一般只有一百多毫欧,因此,在PWM开通期间的峰值电流很大;在PWM关断时由于高di/dt在线路引线电感上产生的高感应电压,都对系统中的MOSFET的强壮性提出了很高的要求。本文就如何优化开关波形以及如何选择合适的MOSFET做一些分析。

驱动电路工作原理

图1为电动工具及控制器的结构图。图中驱动电路通常由芯片555组成,工作频率一般在10KHz以内,其工作过程如下所述。


图1:电动工具及控制器的结构图
(a) 电动工具; (b) 电动工具控制器电路示意图
当MOSFET开通时,电流通过电池正极→线路引线电感→电机线圈→MOSFET→电池负极形成回路,电机线圈电流等于MOSFET中的电流,续流二极管截止。当MOSFET关断时,电机线圈通过二极管D1续流,电机电流基本维持不变。但MOSFET和引线电感中的电流随着MOSFET的关断而迅速变为零,在线路引线电感中产生很大的感应电势LW di/dt,其方向如图1b中红色箭头所示。这样的感应电势与电池电压叠加会产生很高的尖峰电压,如图2中的红色部分。如果这些尖峰电压超过MOSFET的击穿电压,将会导致系统可靠性大幅降低。通过调整MOSFET的PWM占空比可以在电机线圈中得到不同的平均电流,从而实现电机的无级调速。
 

 




图2:电动工具中MOSFET的开关波形
(a) MOSFET的开关波形;(b) 开通波形; (c) 关断波形
MOSFET的功耗计算

图2为电动工具中MOSFET(AOT500)的开关波形。MOSFET的功率损耗由导通损耗和开关损耗组成,分别如下:

⑴ 导通损耗


其中,D=Ton/T

⑵ 开关损耗

由于MOSFET开通时有相对较大的电机线圈电感存在,MOSFET由关断状态到完全打开的过程中流过MOSFET的电流很小,所以开通损耗很小,可以忽略。关断损耗如下:


其中:VCLAMP为MOSFET关断时的钳位电压,E为电池电压,LW为线路电感。

MOSFET的总损耗为:


MOSFET的极点温度为:


其中: TJ 为MOSFET的结点温度,TC为MOSFET的表面温度,

RTHJC为MOSFET的热阻。

由上式可知,对于一个确定的系统来说,要想降低MOSFET的结点温度,有以下几种途径:⑴ 选择具有较低RDS(ON)和较低RTHJC的MOSFET。⑵ 设置合适的MOSFET关断速度,尽量使开关损耗最小。⑶ 尽量减小主回路的引线电感。因为在每一次关断过程中,回路引线电感中的能量都将被MOSFET吸收。

MOSFET的选择要点

从应用角度看,影响MOSFET可靠性的因素主要有以下几方面:⑴ MOSFET的结点温度,过高的结点温度会影响MOSFET的可靠性,使MOSFET提前失效。⑵ MOSFET漏极上的电压尖峰如果超过其雪崩击穿电压,则MOSFET也会提前失效。因此,我们必须选择合适的MOSFET设计电动工具驱动电路。例如,自钳位MOSFET - AOT500,其采用先进的沟道(Trench)工艺设计生产,导通电阻最大值仅为5.3毫欧,且其带有VDS电压自钳位功能,非常适合电动工具设计应用。


图3:自钳位MOSFET
(a) AOT500外观图; (b) AOT500内部结构
自钳位MOSFET的漏栅极间集成了一只齐纳二极管,如图3所示。当漏极电压大于钳位电压时,漏栅极间稳压二极管里会流过很小的电流,通过栅极电阻产生电压降,当电压降大于MOSFET开启电压VTH时,MOSFET会打开并将漏极电压钳位,确保MOSFET不会处于雪崩状态。图4(a)和4(b)是分别使用非钳位MOSFET和钳位MOSFET在电动工具系统中所测得的波形,如果使用非钳位MOSFET,则最高点压可达72V,MOSFET有可能处于雪崩状态,这种情况下最好使用高耐压的MOSFET。使用AOT500则电压被钳位在40V,系统中的尖峰明显减少,大大提高了系统的可靠性。

 

 


图4: MOSFET的VDS波形
(a) 使用非钳位MOSFET; (b) 使用钳位MOSFET
从AOT500在电动工具中的堵转试验时间对比可以看出,AOT500能承受的堵转时间比其它的电动工具常用的MOSFET要长很多,因而大幅提高了电动工具的可靠性。

综上所述,在采用MOSFET设计电动工具时,需要注意以下几点:尽量减小线路的寄生电感,特别是引线电感,使MOSFET在关断时吸收的能量最小;提高MOSFET的关断速度,减小关断损耗;选择自钳位MOSFET,提高系统的可靠性。

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