電動(dòng)車(chē)無(wú)刷電機(jī)控制器短路的工作模型

議題內(nèi)容：

電動(dòng)車(chē)無(wú)刷電機(jī)控制器短路的工作模型
控制器在短路時(shí)MOSFET的工作狀態(tài)
計(jì)算MOSFET瞬態(tài)溫升的計(jì)算公式
設(shè)定短路保護(hù)時(shí)間的原則
解決方案：

溫升公式：Tj = Tc + P × Rth(jc)
根據(jù)單脈沖的熱阻系數(shù)確定允許的短路時(shí)間
工作溫度越高短路保護(hù)時(shí)間就應(yīng)該越短
1 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(jí)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(jī)線圈，Rs為電流檢測(cè)電阻。

當(dāng)控制器工作時(shí)，如電機(jī)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(dá)幾百安培，MOSFET的瞬態(tài)溫升很大，這種情況下應(yīng)及時(shí)保護(hù)，否則會(huì)使MOSFET結(jié)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45us的大電流短路，而圖2b中的MOSFET不能承受45us的大電流短路，當(dāng)脈沖45us關(guān)斷后，Vds回升，由于溫度過(guò)高，僅經(jīng)過(guò)10us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(dá)500A，這是由于短路時(shí)MOSFET直接將電源正負(fù)極短路，回路阻抗是導(dǎo)線，PCB走線及MOSFET的Rds（on）之和，其數(shù)值很小，一般為幾十毫歐至幾百毫歐。

2 計(jì)算合理的保護(hù)時(shí)間

在實(shí)際應(yīng)用中，不同設(shè)計(jì)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(dǎo)致控制器三相輸出線短路時(shí)的短路電流各不相同，所以設(shè)計(jì)者應(yīng)跟據(jù)自己的實(shí)際電路和使用條件設(shè)計(jì)合理的保護(hù)時(shí)間。
短路保護(hù)時(shí)間計(jì)算步驟：

2．1 計(jì)算MOSFET短路時(shí)允許的瞬態(tài)溫升

因?yàn)榭刂破饔锌赡苁窃谡９ぷ鲿r(shí)突然短路，所以我們的設(shè)計(jì)應(yīng)是基于正常工作時(shí)的溫度來(lái)計(jì)算允許的瞬態(tài)溫升。MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫度可由下式計(jì)算：

Tj = Tc + P × Rth(jc)
其中：

Tc：MOSFET表面溫度
Tj：MOSFET結(jié)點(diǎn)溫度
Rth（jc）：結(jié)點(diǎn)至表面的熱阻，可從元器件Date sheet中查得。


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