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電動車控制器 場效應管應用方案參數及測量MOS管方式等-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-10-03 

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電動車控制器場效應管

1、MOS在控制器電路中的工作狀態

開通過程、導通狀態、關斷過程、截止狀態、擊穿狀態。  

MOS主要損耗包括開關損耗(開通過程和關斷過程),導通損耗,截止損耗(漏電流引起的,這個忽略不計),還有雪崩能量損耗。電動車控制器場效應管只要把這些損耗控制在MOS承受規格之內,MOS即會正常工作,超出承受范圍,即發生損壞。

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為主。


2、 MOS管在電動車控制器中的作用

電動車控制器場效應管簡單來說電機是靠MOS的輸出電流來驅動的,輸出電流越大(為了防止過流燒壞MOS管,控制器有限流保護),電機扭矩就強,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

我們電動車控制器場效應管和平常cmos集成電路中的小功率mos結構是不一樣的。小功率mos是平面型結構。而電動車上上用的功率mos是立體結構。平面型結構是指,mos柵極,源級和漏級都在芯片表面(或者說正面),而溝道也在芯片表面橫向排列。(我們常見的教科書的介紹mos原理一般都是拿平面結構介紹)。而功率mos的立體結構(溝道是深槽立體結構)是柵極和源級引線從芯片正面引出(其實柵極也不在表面而是內部,只是比較靠近表面),而漏級是從芯片背面引出(其實整個芯片背面都是漏級連接在一起的,整個個漏級用焊接材料直接焊接在金屬板上,就是mos的金屬背板,一般是銅鍍錫的),所以我們見到的mos一般金屬板和中間引腳(就是漏級)是完全導通的(有些特殊的封裝是可以做到金屬板和中間腳絕緣的)。

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(因為結構不同)。大家只是知道這回事就行了。

我們所見的電動車控制器場效應管,其實內部由成千上萬個小mos管并聯而成(實際數量一般是上千萬個,和芯片面積和工藝有關)。如果在工作中,有一個或幾個小管短路,則整個mos表現為短路,當然大電流短路mos可能直接燒斷了(有時表現為金屬板和黑色塑封間開裂),又表現為開路。大家可能會想這上千萬個小mos應該很容易出現一個或幾個壞的吧,其實真沒那么容易,目前的制造工藝基本保證了這些小單位各種參數高度一致性。它們的各種開關動作幾乎完全一致,當然最終燒壞時,肯定有先承受不了的小管先壞。所以管子的穩定性和制造工藝密不可分,差的工藝可能導致這些小管的參數不那么一致。有時一點小的工藝缺陷(比如一個1um甚至更小的顆粒如果在關鍵位置)往往會造成整個芯片(缺陷所在的管芯)報廢。


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為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(因為發熱?。?。MOS問題遠沒這么簡單,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。


電動車控制器場效應管主要就是玩怎么最優控制它的柵極。但是MOS內部這三個等效電容是構成串并聯組合關系,它們相互影響,并不是獨立的,如果獨立的就很簡單了。其中一個關鍵電容就是柵極和漏級間的電容Cgd,這個電容業界稱為米勒電容。這個電容不是恒定的,隨柵極和漏級間電壓變化而迅速變化。這個米勒電容是柵極和源級電容充電的絆腳石,因為達到一個平臺后,柵極的充電電流必須給米勒電容充電,這時柵極和源級間電壓不再升高,達到一個平臺,這個是米勒平臺(米勒平臺就是給Cgd充電的過程),米勒平臺大家首先想到的麻煩就是米勒振蕩。


因為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寄生電感產生很大感抗,這里面就有電容,電感,電阻組成震蕩電路(能形成2個回路),并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臺如何過渡。


如果開關速度很快,這個電流變化率很高,振幅加大并震蕩延時(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)。所以干脆開關慢點(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,有那么一瞬間(剛進入米勒平臺時)MOS發熱功率是96*100=9600w!這時它發熱功率最大,然后發熱功率迅速降低直到完全導通時功率變成100*100*0.003=30w(這里假設這個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。為了不燒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。我這里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開通過程非常復雜。里面變量太多??傊褪情_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,可能在米勒平臺就燒管子了),反而開關損耗也大,并且上臂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,是因為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,尤其是多管并聯時做到均勻分配。

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?。ㄒ话?20a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。因為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。千萬不要認為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,大管封裝只是為了散熱更好些或封裝電流更大些。所以大管封裝里面芯片面積可大可小,同樣小管封裝里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,而為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??刂破魇裁淳€也不要接,取下來。


電動車控制器場效應管


2 萬用表拔到二極管檔,一般在通斷檔上。

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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。

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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

電動車控制器場效應管

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