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电动车控制器 場效應管應用方案参数及测量MOS管方式等-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-10-03 

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电动车控制器場效應管

1、MOS在控制器電路中的工作狀態

开通过程、导通状态、关断过程、截止状态、击穿状态。  

MOS主要损耗包括开关损耗(开通过程和关断过程),导通损耗,截止损耗(漏电流引起的,这个忽略不计),还有雪崩能量损耗。电动车控制器場效應管只要把这些损耗控制在MOS承受规格之内,MOS即会正常工作,超出承受范围,即发生损坏。

而開關損耗往往大于導通狀態損耗,尤其是PWM沒完全打開,處于脈寬調制狀態時(對應電動車的起步加速狀態),而最高急速狀態往往是導通損耗爲主。


2、 MOS管在电动车控制器中的作用

电动车控制器場效應管简单来说电机是靠MOS的输出电流来驱动的,输出电流越大(为了防止过流烧坏MOS管,控制器有限流保护),电机扭矩就强,加速就有力。


3、MOS損壞主要原因

過流,大電流引起的高溫損壞(分持續大電流和瞬間超大電流脈沖導致結溫超過承受值);過壓,源漏級大于擊穿電壓而擊穿;柵極擊穿,一般由于柵極電壓受外界或驅動電路損壞超過允許最高電壓(柵極電壓一般需低于20v安全)以及靜電損壞。


4、MOS在電動車控制器中的應用

我们电动车控制器場效應管和平常cmos集成电路中的小功率mos结构是不一样的。小功率mos是平面型结构。而电动车上上用的功率mos是立体结构。平面型结构是指,mos栅极,源级和漏级都在芯片表面(或者说正面),而沟道也在芯片表面横向排列。(我们常见的教科书的介绍mos原理一般都是拿平面结构介绍)。而功率mos的立体结构(沟道是深槽立体结构)是栅极和源级引线从芯片正面引出(其实栅极也不在表面而是内部,只是比较靠近表面),而漏级是从芯片背面引出(其实整个芯片背面都是漏级连接在一起的,整个个漏级用焊接材料直接焊接在金属板上,就是mos的金属背板,一般是铜镀锡的),所以我们见到的mos一般金属板和中间引脚(就是漏级)是完全导通的(有些特殊的封装是可以做到金属板和中间脚绝缘的)。

功率mos內部從漏級到源級是有一個二極管的,這個二極管基本上所有的功率mos都具有,和它本身結構有關系(不需要單獨制造,設計本身就有)。當然可以通過改變設計制造工藝,不造出這個二極管。但是這會影響芯片功率密度,要做到同樣耐壓和內阻,需要更大的芯片面積(因爲結構不同)。大家只是知道這回事就行了。

我们所见的电动车控制器場效應管,其实内部由成千上万个小mos管并联而成(实际数量一般是上千万个,和芯片面积和工艺有关)。如果在工作中,有一个或几个小管短路,则整个mos表现为短路,当然大电流短路mos可能直接烧断了(有时表现为金属板和黑色塑封间开裂),又表现为开路。大家可能会想这上千万个小mos应该很容易出现一个或几个坏的吧,其实真没那么容易,目前的制造工艺基本保证了这些小单位各种参数高度一致性。它们的各种开关动作几乎完全一致,当然最终烧坏时,肯定有先承受不了的小管先坏。所以管子的稳定性和制造工艺密不可分,差的工艺可能导致这些小管的参数不那么一致。有时一点小的工艺缺陷(比如一个1um甚至更小的颗粒如果在关键位置)往往会造成整个芯片(缺陷所在的管芯)报废。


5、MOS管的開關原理

MOS是電壓驅動型器件,只要柵極G和源級S間給一個適當電壓,源級S和漏級D間導電通路就形成。這個電流通路的電阻被成爲MOS內阻,也就是導通電阻。這個內阻大小基本決定了MOS芯片能承受的最大導通電流(當然和其它因素有關,最有關的是熱阻)。內阻越小承受電流越大(因爲發熱小)。MOS問題遠沒這麽簡單,麻煩在它的柵極和源級間,源級和漏級間,柵極和漏級間內部都有等效電容。所以給柵極電壓的過程就是給電容充電的過程(電容電壓不能突變),所以MOS源級和漏級間由截止到導通的開通過程受柵極電容的充電過程制約。關斷過程和這個相反。


电动车控制器場效應管主要就是玩怎么最优控制它的栅极。但是MOS内部这三个等效电容是构成串并联组合关系,它们相互影响,并不是独立的,如果独立的就很简单了。其中一个关键电容就是栅极和漏级间的电容Cgd,这个电容业界称为米勒电容。这个电容不是恒定的,随栅极和漏级间电压变化而迅速变化。这个米勒电容是栅极和源级电容充电的绊脚石,因为达到一个平台后,栅极的充电电流必须给米勒电容充电,这时栅极和源级间电压不再升高,达到一个平台,这个是米勒平台(米勒平台就是给Cgd充电的过程),米勒平台大家首先想到的麻烦就是米勒振荡。


因爲這個時候源級和漏級間電壓迅速變化,內部電容相應迅速充放電,這些電流脈沖會導致MOS寄生電感産生很大感抗,這裏面就有電容,電感,電阻組成震蕩電路(能形成2個回路),並且電流脈沖越強頻率越高震蕩幅度越大。所以最頭疼的就是這個米勒平台如何過渡。


如果開關速度很快,這個電流變化率很高,振幅加大並震蕩延時(柵極電壓震蕩劇烈會影響柵極電容的充電速度,內部表現是電容一會充電,一會放電)。所以幹脆開關慢點(就是柵極電容慢慢充電,用小電流充電),這樣震蕩是明顯減輕了,但是開關損耗增大了。MOS開通過程源級和漏級間等效電阻相當于從無窮大電阻到阻值很小的導通內阻(導通內阻一般低壓mos只有幾毫歐姆)的一個轉變過程。比如一個MOS最大電流100A,電池電壓96V,在開通過程中,有那麽一瞬間(剛進入米勒平台時)MOS發熱功率是96*100=9600w!這時它發熱功率最大,然後發熱功率迅速降低直到完全導通時功率變成100*100*0.003=30w(這裏假設這個mos導通內阻3毫歐姆)。開關過程中這個發熱功率變化是驚人的。

如果開通時間慢,意味著發熱從9600w到30w過渡的慢,MOS結溫會升高的厲害。所以開關越慢,結溫越高,容易燒MOS。爲了不燒MOS,只能降低MOS限流或者降低電池電壓,比如給它限制50a或電壓降低一半成48v,這樣開關發熱損耗也降低了一半。不燒管子了。這也是高壓控容易燒管子原因,高壓控制器和低壓的只有開關損耗不一樣(開關損耗和電池端電壓基本成正比,假設限流一樣),導通損耗完全受mos內阻決定,和電池電壓沒任何關系。我這裏說的不一定每個人都需要很懂,大概能知道點就好了,做控制器設計的應該能理解。


其實整個mos開通過程非常複雜。裏面變量太多。總之就是開關慢不容易米勒震蕩,但開關損耗大,管子發熱大,開關速度快理論上開關損耗低(只要能有效抑制米勒震蕩),但是往往米勒震蕩很厲害(如果米勒震蕩很嚴重,可能在米勒平台就燒管子了),反而開關損耗也大,並且上臂mos震蕩更有可能引起下臂mos誤導通,形成上下臂短路。所以這個很考驗設計師的驅動電路布線和主回路布線技能。最終就是找個平衡點(一般開通過程不超過1us)。開通損耗這個最簡單,只和導通電阻成正比,想大電流低損耗找內阻低的。



6、Mos封裝

不同封裝方式則內部寄生電感差異很大。電動車上常用的小管(TO-220封裝)和大管(TO-247封裝)封裝電感都挺大,但是之所以它們用量很高,是因爲這種結構散熱設計比較容易(大功率下散熱是非常重要的)。一般大管封裝電感是大于小管的。在控制器設計時,mos封裝寄生電感需要考慮,但也許無法解決,不過外部布線電感則必須設計合理,尤其是多管並聯時做到均勻分配。

大管和小管的優缺點比較(只這兩種比)。大管優點,金屬背板面積大所以散熱好做,封裝電阻低(引線粗),所以封裝電流可以做到很大(可以200a左右)。大管缺點,占地方大(這個很明顯),封裝電感稍大。小管優點,占地方小,封裝電感稍小。小管缺點,封裝電阻大(引線細),封裝電流較小(一般120a以下),金屬板面積小散熱較弱。(封裝電流和芯片過流能力是兩個完全不同的概念,有的廠家規格書標芯片過流能力,而有的廠家是這兩個電流哪個小標哪個。因爲小的決定了整個管子的電流能力。

大管和小管簡單誤區及說明。千萬不要認爲大管的芯片面積一定大于小管的。有些芯片本來就有不同的封裝方式,比如分別用小管和大管封裝,其實它們的芯片面積一樣大,大管封裝只是爲了散熱更好些或封裝電流更大些。所以大管封裝裏面芯片面積可大可小,同樣小管封裝裏面芯片面積也可大可小。不過大管封裝能容納的最大芯片面積大概是小管封裝的2倍(甚至多點)。舉例說明,irfb4110用小管封裝,芯片已經把小管內部填滿了,面積再大小管放不進了,而爲了得到更低內阻管子,所以有大管irfp4468,這個芯片面積比irfb4110大了一倍,所以它的內阻低了一半,各種電容大了一倍。所以一個4468的芯片成本是4110的2倍(同樣大管封裝成本也比小管高)。所以4468比4110貴了差不多一倍(相當于把兩個4110封裝在一起的等效效果)。


7、電瓶車控制器MOS管測量方法

簡單教大家一測量控制器方法:控制器有6路MOS管,一般控制器壞都是燒MOS管,如何在不打開外殼的情況下確定MOS管是否燒壞,方法如下:


1。控制器什麽線也不要接,取下來。


电动车控制器場效應管


2 万用表拔到二极管档,一般在通断档上。

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3、任意MOS管內部都有一個二極管,如果MOS管燒了,那二極管肯定燒,所以,量MOS管的二極管好壞就確定了MOS管好壞。按下面的步驟測量二極管,萬用表上穩定顯示0.37~0.44V左右電壓,說明這路MOS管好的,如果顯示0V電壓,說明這路MOS管擊穿;如果顯示0.7V以上電壓,說明這路MOS管擊斷。

电动车控制器場效應管

4.控制器部分的上臂三相的MOS管,黑表筆接副電池正極接入線(純控制器就接正線),紅表筆分別量三條相線

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5.控制器部分的下臂三相的MOS管,紅表筆接主電池負極接入線(純控制器就接負線),黑表毛分別量三條相線

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