电动车无刷电机控制器短路的工作模型

议题内容：

电动车无刷电机控制器短路的工作模型
控制器在短路时MOSFET的工作状态
计算MOSFET瞬态温升的计算公式
设定短路保护时间的原则

解决方案：

温升公式：Tj = Tc + P × Rth(jc)
根据单脉冲的热阻系数确定允许的短路时间
工作温度越高短路保护时间就应该越短

1 短路模型及分析

短路模型如图1所示，其中仅画出了功率输出级的A、B两相（共三相）。Q1和Q3为A相MOSFET，Q2和Q4为B相MOSFET，所有功率MOSFET均为AOT430。L1为电机线圈，Rs为电流检测电阻。

当控制器工作时，如电机短路，则会形成如图1中所示的流经Q2，Q3的短路电流，其电流值很大，达几百安培，MOSFET的瞬态温升很大，这种情况下应及时保护，否则会使MOSFET结点温度过高而使MOSFET损坏。短路时Q3电压和电流波形如图2所示。图2a中的MOSFET能承受45us的大电流短路，而图2b中的MOSFET不能承受45us的大电流短路，当脉冲45us关断后，Vds回升，由于温度过高，仅经过10us的时间MOSFET便短路，Vds迅速下降,短路电流迅速上升。由图2我们可以看出短路时峰值电流达500A，这是由于短路时MOSFET直接将电源正负极短路，回路阻抗是导线，PCB走线及MOSFET的Rds（on）之和，其数值很小，一般为几十毫欧至几百毫欧。

2 计算合理的保护时间

在实际应用中，不同设计的控制器，其回路电感和电阻存在一定的差别以及短路时的电源电压不同，导致控制器三相输出线短路时的短路电流各不相同，所以设计者应跟据自己的实际电路和使用条件设计合理的保护时间。

短路保护时间计算步骤：

2．1 计算MOSFET短路时允许的瞬态温升

因为控制器有可能是在正常工作时突然短路，所以我们的设计应是基于正常工作时的温度来计算允许的瞬态温升。MOSFET的结点温度可由下式计算：

Tj = Tc + P × Rth(jc)

其中：

Tc：MOSFET表面温度
Tj：MOSFET结点温度
Rth（jc）：结点至表面的热阻，可从元器件Date sheet中查得。

理论上MOSFET的结点温度不能超过175℃，所以电机相线短路时MOSFET允许的温升为：Trising = Tjmax - Tj = 175-109 = 66℃。

2．2 根据瞬态温升和单脉冲功率计算允许的单脉冲时的热阻

由图2可知，短路时MOSFET耗散的功率约为：

P = Vds × I = 25 × 400 = 10000W
脉冲的功率也可以通过将图二测得波形存为EXCEL格式的数据，然后通过EXCEL进行积分，从而得到比较精确的脉冲功率数据。

对于MOSFET温升计算有如下公式：

Trising = P × Zθjc × Rθjc
其中：

Rθjc------结点至表面的热阻，可从元器件Date sheet中查得。
Zθjc------热阻系数
Zθjc = Trising ÷（ P × Rθjc）
Zθjc = 66 ÷ （10000 × 0.45）= 0.015

2．3 根据单脉冲的热阻系数确定允许的短路时间

由图3最下面一条曲线（单脉冲）可知，对于单脉冲来说，要想获得0.015的热阻系数，其脉冲宽度不能大于20us。


3 设计短路保护应注意的几个问题

由于不同控制器的PCB布线参数不一样，导致相线短路时回路阻抗不等，短路电流也因此不同。所以，不同设计的控制器应根据实际情况设计确当的短路保护时间。

由于应用中使用的电源电压有可能不同，也会导致短路电流的不同，同样也会影响到保护时间。

注意控制器实际工作时的可能最高温度，工作温度越高，短路保护时间就应该越短。

本文讨论的短路保护时间是指MOSFET能承受的最长短路时间。在设计短路保护电路时，应考虑硬件及软件的响应时间，以及电流保护的峰值，这些参数都会影响到最终的保护时间。因此，硬件电路设计和软件的编写致关重要。

本文讨论的短路保护时间是单次短路保护时间，短路后短时间内不能再次短路。如果设计成周期性短路保护，则短路保护时间应更短。

4 结论

短路保护在瞬间大电流时能对MOSFET提供可靠的快速保护，大大增加了控制的可靠性，减少了控制器的损坏率。