选择自钳位MOSFET提高电动工具系统可靠性

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。