電機(jī)驅(qū)動(dòng)短路保護(hù)時(shí)間設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)

功率MOSFET的最大的脈沖漏極電流、持續(xù)的時(shí)間和電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電力電子系統(tǒng)的過流保護(hù)、短路保護(hù)直接相關(guān)，持續(xù)時(shí)間和VGS限制了最大的脈沖漏極電流：VGS越大，最大的脈沖漏極電流越大，而持續(xù)時(shí)間越短，在實(shí)際的應(yīng)用中，最大的脈沖漏極電流和持續(xù)時(shí)間是一對(duì)相互矛盾的參數(shù)，必須在兩者之間做一些平衡，本文將討論和這個(gè)技術(shù)指標(biāo)相關(guān)的4個(gè)實(shí)際的細(xì)節(jié)。

1、短路保護(hù)并聯(lián)均流

電動(dòng)汽車和電動(dòng)自行車控制器目前大量地使用中壓功率MOSFET，相對(duì)而言，電動(dòng)自行車的功率較低，短路保護(hù)的設(shè)計(jì)基本上可以滿足實(shí)際的應(yīng)用要求。但是對(duì)于電動(dòng)汽車，輸出功率非常大，三相全橋6組功率MOSFET，每組使用14-16管、多管并聯(lián)工作，在短路大電流沖擊的過程中，由于驅(qū)動(dòng)電路、PCB布局和每個(gè)MOSFET的參數(shù)的差異，多管很難做到完全的并聯(lián)均流，其中的某些單管會(huì)流過更大的電流，溫度更高，非常容易導(dǎo)致短路大電流的局部集中，也就是大部分的電流從一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)功率MOSFET管中流過，從而損壞功率MOSFET。

圖1：電動(dòng)汽車控制器功率板

圖2：電動(dòng)汽車控制器

一些電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的研發(fā)工程師，通過調(diào)整短路保護(hù)的延時(shí)，來保證短路發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的安全性，但是帶來的問題是：如果短路保護(hù)的延時(shí)過小，可能導(dǎo)致滿載無法起動(dòng)或輸出不了滿負(fù)載。而且，很多時(shí)候，某一個(gè)型號(hào)的控制器要賣給不同的客戶，不同的客戶采用的電機(jī)的參數(shù)也不相同，而且同一個(gè)客戶可能采用不同廠家的電動(dòng)機(jī)，這就會(huì)導(dǎo)致在某一個(gè)客戶或某一個(gè)客戶的某一個(gè)機(jī)型，控制器的延時(shí)調(diào)到和電動(dòng)機(jī)匹配得比較好，而采用同樣的延時(shí)的控制器，在這個(gè)客戶的其它機(jī)型或另一個(gè)客戶那里，系統(tǒng)就可能出現(xiàn)問題，要么無法有效的實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，要么滿載無法起動(dòng)或無法輸出滿負(fù)載。

因此，必須從系統(tǒng)和產(chǎn)品二個(gè)方面，來做優(yōu)化的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)的要求。

2、短路保護(hù)的方式

通常采用MOSFET飽和的短路電流，使用單脈沖持續(xù)的時(shí)間來評(píng)估功率MOSFET抗短路沖擊的性能。從圖3的應(yīng)用測(cè)試波形可以看到，在短路過程中，發(fā)生了連續(xù)多個(gè)短脈沖的沖擊，每個(gè)短脈沖持續(xù)時(shí)間為2uS，滿足器件單脈沖測(cè)試規(guī)范，但是器件最后還是發(fā)生損壞。對(duì)于器件本體參數(shù)的測(cè)試，即便是使用多脈沖，通常一個(gè)脈沖結(jié)束后，硅片的溫度回到常溫，然后再加下一個(gè)脈沖，就是不考慮多脈沖能量累積的效應(yīng)，但是，如果實(shí)際的應(yīng)用中，發(fā)生了能量的累積效應(yīng)，那么單脈沖的測(cè)試結(jié)果，就不能完全保證這樣的短路條件下，系統(tǒng)仍然可靠不發(fā)生損壞。

圖3：短路保護(hù)工作波形

但是，單脈沖的測(cè)試結(jié)果仍然具有參考價(jià)值，它為評(píng)估不同器件的短路性能提供了標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)比，單脈沖短路性能強(qiáng)的器件，在多脈沖的條件，同樣具有更強(qiáng)的短路性能。

3、單脈沖電流和實(shí)際短路保護(hù)的大電流

前面分析過，測(cè)試單脈沖短路性能時(shí)，功率MOSFET工作在線性區(qū)，也就是放大區(qū)，而在有些實(shí)際的應(yīng)用中，系統(tǒng)短路時(shí)，雖然短路電流比較大，但是功率MOSFET并沒有工作在線性區(qū)，因此，這種條件下的短路和器件級(jí)的短路所表現(xiàn)的性能是不同的。

系統(tǒng)短路時(shí)，如果功率MOSFET仍然工作在完全導(dǎo)通狀態(tài)，那么可以通過功耗來校核結(jié)溫，另一個(gè)方面，要考慮到雪崩UIS問題。

4 、PCB布局和短路保護(hù)問題

通常在系統(tǒng)的輸入端有大電容提供負(fù)載電源，輸入電容到功率MOSFET橋臂上下端會(huì)有雜散電感，很多研發(fā)工程師發(fā)現(xiàn)：如果這個(gè)輸入回路的雜散電感大，短路電流就會(huì)降低，但是MOSFET的VDS的尖峰電壓會(huì)提高。反過來，輸入回路的雜散電感小，短路電流就會(huì)增加，MOSFET的VDS的尖峰電壓會(huì)降低。兩者相矛盾，這需要研發(fā)工程師做一些平衡。

在設(shè)計(jì)過程中，特別是對(duì)于輸出功率較大的系統(tǒng)，通常是盡可能的減小回路雜散電感來減小尖峰電壓和EMI的影響，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的效率，而短路保護(hù)通過調(diào)節(jié)短路的延時(shí)和控制方式來保證。

5、驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)整

驅(qū)動(dòng)電壓VGS越高，短路電流越大，持續(xù)時(shí)間也就越短，那么就可以通過適當(dāng)?shù)慕档万?qū)動(dòng)電壓，降低短路電流，從而給功率MOSFET提供更長(zhǎng)的短路保護(hù)的時(shí)間，提高其工作的安全性。當(dāng)然，帶來的問題就是需要額外的電路，來調(diào)整驅(qū)動(dòng)的電壓。（本文摘自《今日電子》，作者：劉松）