MOSFET功率损耗的计算

1、.mosfet功率损耗的计算摘 要：本文介绍了电动自行车无刷电机控制器的热设计。其中包括控制器工作原理的介绍、mosfet功率损耗的计算、热模型的分析、稳态温升的计算、导热材料的选择、热仿真等。关键词：电动自行车 控制器 mosfet热设计1. 引言由于功率mosfet具有驱动电流小、开关速度快等优点，已经被广泛地应用在电动车的控制器里。但是如果设计和使用不当，会经常损坏mosfet，而且一旦损坏后mosfet的漏源极短路，晶圆通常会被烧得很严重，大部分用户无法准确分析造成mosfet损坏的原因。所以在设计阶段，有关mosfet的可靠性设计是致关重要的。mosfet通常的损坏模式包括：过流、过

2、压、雪崩击穿、超出安全工作区等。但这些原因导致的损坏最终都是因为晶圆温度过高而损坏，所以在设计控制器时，热设计是非常重要的。mosfet的结点温度必须经过计算，确保在使用过程中mosfet结点温度不会超过其最大允许值。2. 无刷电机控制器简介由于无刷电机具有高扭矩、长寿命、低噪声等优点，已在各领域中得到了广泛应用，其工作原理也已被大家广为熟知，这里不再详述。国内电动车电机控制器通常工作方式为三相六步，功率级原理图如图1所示，其中q1, q2为a相上管及下管；q3, q4为b相上管及下管；q5, q6为c相上管及下管。mosfet全部使用aot430。 mosfet工作在两两导通方式，导通顺序为

3、q1q4q1q6q3q6q3q2q5q2q5q4q1q4，控制器的输出通过调整上桥pwm脉宽实现，pwm频率一般设置为18khz以上。 精品.当电机及控制器工作在某一相时（假设b相上管q3和c相下管q6），在每一个pwm周期内，有两种工作状态：状态1: q3和q6导通, 电流i1经q3、电机线圈l、q6、电流检测电阻rs流入地。状态2: q3关断, q6导通, 电流i2流经电机线圈l、q6、q4，此状态称为续流状态。在状态2中，如果q4导通，则称控制器为同步整流方式。如果q4关断，i2靠q4体二极管流通，则称为非同步整流工作方式。流经电机线圈l的电流i1和i2之和称为控制器相电流，流经电流检测

4、电阻rs的平均电流i1称为控制器的线电流，所以控制器的相电流要比控制器的线电流要大。3. 功耗计算控制器mosfet的功率损耗随着电机负载的加大而增加，当电机堵转时，控制器的mosfet损耗达到最大（假设控制器为全输出时）。为了分析方便，我们假设电机堵转时b相上管工作在pwm模式下，c相下管一直导通，b相下管为同步整流工作方式（见图1）。电机堵转时的波形如图2-图5所示。 精品.功率损耗计算如下： 3.1 b相上管功率损耗：3.1.1 b相上管开通损耗(t1-t2)，见图2; 精品.3.1.2 b相上管关断损耗(t3-t4)，见图3; 3.1.3 b相上管导通损耗(t5-t6)，见图4; b

5、相上管总损耗：phs(bphase)=phs(turn on)+phs(turn off)+phs(on)=5.1+3.75+7.5=16.35w3.2 b相下管功率损耗：3.2.1 b相下管续流损耗(t7-t8)，见图5;pls(bphase)=pls(freewheel)=i2rds(on)(1-d)=4020.015(1-20/64)=16.5 w3.3 c相下管功率损耗因为c相下管一直导通，所以功率损耗计算如下：pls(cphase)=pls (on) = i2rds(on) = 4020.015 = 24 w控制器的功率管总损耗为：ptatal=phs(bphase)+pls(bph

6、ase)+pls(cphase)=16.35+16.5+24=56.854. 热模型图5为to-220典型的安装结构及热模型。热阻与电阻相似,所以我们可以将rth(ja)看着几个小的电阻串联，从而有如下公式：rth(ja) = rth(jc) + rth(ch) + rth(ha)其中：rth(jc)- 结点至mosfet表面的热阻rth(ch)-mosfet表面至散热器的热阻rth(ha)-散热器至环境的热阻 (与散热器的安装方式有关) 精品.图6 热阻模型精品.通常热量从结点至散热器是通过传导方式进行的，从散热器至环境是通过传导和对流方式。rth(jc)是由器件决定的,所以对一个系统，如果

7、mosfet已确定，为了获得较小的热阻我们可以选择较好的热传导材料并且将mosfet很好地安装在散热器上。5. 稳态温升的计算从aot430的数据手册我们可以获得如下参数：tjmax=175 rth(jc)max = 0.56 /w5.1 电机运行时mosfet结点至其表面的温升计算(因为电机在运行时，上管和下管只有三分之一的时间工作，所以平均功率应除以3)：5.1.1上管结点至功率管表面的稳态温升 5.1.2下管结点至功率管表面的稳态温升 精品.5.2 电机堵转时mosfet结点至其表面的温升计算5.2.1 b相上管结点至功率管表面的稳态温升tjc=tj-tc=phsrth(jc)=16.3

8、50.56=9.25.2.2 b相下管结点至功率管表面的稳态温升tjc=tj-tc=plsrth(jc)=16.50.56=9.245.2.3 c相下管结点至功率管表面的稳态温升tjc=tj-tc=pls(cphase)rth(jc)=240.56=13.44由以上计算可知，在电机堵转时控制器中一直导通的mosfet（下管）的温升最大，在设计时应重点考虑电机堵转时的mosfet温升。6. 选择合适的导热材料图7为silpad系列导热材料对to-220封装的导热性能随压力变化的曲线。 精品.图76.1 导热材料为silpad-400，压力为200psi时，其热阻rth(ch)为4.64 /w。则

9、：tch=tc-th= plsrth(ch)=244.64=1116.2 导热材料为silpad-900s，压力为200psi时，其热阻rth(ch)为2.25/w。则：tch=tc-th= plsrth(ch)=242.25=54可见，不同的导热材料对温升的影响很大，为了降低mosfet的结点温升，我们可以选择较好的热传导材料来获得较好的热传导性能，从而达到我们的设计目标。为了使控制器更加可靠，通常我们将mosfet表面温度控制在100以下，这是因为在使用中还会有其他高能量的脉冲出现，譬如，电机相线短路，负载突然变大等。7热仿真：由于在实际应用中我们很难确定散热器表面至环境的热阻，要想完全通

10、过计算来进行热设计是比较困难得，因此我们可以借助热仿真软件来进行仿真，从而达到我们设计的目的。精品.仿真条件：ptotal=56.85w、ta=45、控制器散热器尺寸：70mm110mm30mm 、自然风冷，mosfet安装如图8所示。 图8 mosfet安装示意图7.1 电机运行时控制器的热仿真由图9可见，下管的温升明显高于上管的温升。 精品.7.2 电机堵转时控制器的热仿真由图10可知，堵转时一直导通的下管最热，温度已接近150。由图11可知，在堵转100秒后mosfet的温升还未稳定，如果一直堵转，必将烧坏mosfet。因此，如果使用仿真中的散热器尺寸，就不能一直堵转，必须采取相应的保护措施。我们可以采用间隙保护的方法，即当电机堵转时，堵转一段时间，保护一段时间，让mosfet的温度不超过最大结点温度。图12所示为堵转1.5s，保护1.5s的瞬态温升示意图，由图可知，采用这种方法可以有效地保护mosfet。 图10：堵转时温升示意图精品.结语: 控制器的热设计在产品的设计阶段是非常重要的，我们必须经过功耗的计算、热模型的