功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管原理

1、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)原理功率場(chǎng)效應(yīng)管(Power MOSFET)也叫電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種單極型的電壓控制器件，不但有自關(guān)斷能力,而且有驅(qū)動(dòng)功率小,開關(guān)速度高、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特點(diǎn)。由于其易于驅(qū)動(dòng)和開關(guān)頻率可高達(dá)500kHz，特別適于高頻化電力電子裝置，如應(yīng)用于DC/DC變換、開關(guān)電源、便攜式電子設(shè)備、航空航天以及汽車等電子電器設(shè)備中。但因?yàn)槠潆娏鳌崛萘啃?，耐壓低，一般只適用于小功率電力電子裝置。一、電力場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管種類和結(jié)構(gòu)有許多種，按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道，同時(shí)又有耗盡型和增強(qiáng)型之分。在電力電子裝置中，主要應(yīng)用N溝道增強(qiáng)型。電力場(chǎng)

2、效應(yīng)晶體管導(dǎo)電機(jī)理與小功率絕緣柵MOS管相同，但結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。小功率絕緣柵MOS管是一次擴(kuò)散形成的器件，導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，橫向?qū)щ?。電力?chǎng)效應(yīng)晶體管大多采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，提高了器件的耐電壓和耐電流的能力。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的不同，又可分為2種：V形槽VVMOSFET和雙擴(kuò)散VDMOSFET。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管采用多單元集成結(jié)構(gòu)，一個(gè)器件由成千上萬個(gè)小的MOSFET組成。N溝道增強(qiáng)型雙擴(kuò)散電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一個(gè)單元的部面圖，如圖1(a)所示。電氣符號(hào)，如圖1(b)所示。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管有3個(gè)端子：漏極D、源極S和柵極G。當(dāng)漏極接電源正，源極接電源負(fù)時(shí)，柵極和源極之間電壓為0，溝道不導(dǎo)電，管子處于

3、截止。如果在柵極和源極之間加一正向電壓UGS，并且使UGS大于或等于管子的開啟電壓UT，則管子開通，在漏、源極間流過電流ID。UGS超過UT越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流越大。二、電力場(chǎng)效應(yīng)管的靜態(tài)特性和主要參數(shù)Power MOSFET靜態(tài)特性主要指輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，與靜態(tài)特性對(duì)應(yīng)的主要參數(shù)有漏極擊穿電壓、漏極額定電壓、漏極額定電流和柵極開啟電壓等。分頁(yè)1、 靜態(tài)特性（1） 輸出特性輸出特性即是漏極的伏安特性。特性曲線，如圖2(b)所示。由圖所見，輸出特性分為截止、飽和與非飽和3個(gè)區(qū)域。這里飽和、非飽和的概念與GTR不同。飽和是指漏極電流ID不隨漏源電壓UDS的增加而增加，也就是基本保持不變；

4、非飽和是指地UCS一定時(shí)，ID隨UDS增加呈線性關(guān)系變化。（2） 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性表示漏極電流ID與柵源之間電壓UGS的轉(zhuǎn)移特性關(guān)系曲線，如圖2(a)所示。轉(zhuǎn)移特性可表示出器件的放大能力，并且是與GTR中的電流增益相似。由于Power MOSFET是壓控器件，因此用跨導(dǎo)這一參數(shù)來表示?？鐚?dǎo)定義為 （1）圖中UT為開啟電壓，只有當(dāng)UGS=UT時(shí)才會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生漏極電流ID。2、 主要參數(shù)（1） 漏極擊穿電壓BUDBUD是不使器件擊穿的極限參數(shù)，它大于漏極電壓額定值。BUD隨結(jié)溫的升高而升高，這點(diǎn)正好與GTR和GTO相反。（2） 漏極額定電壓UDUD是器件的標(biāo)稱額定值。（3） 漏極電流ID和

5、IDMID是漏極直流電流的額定參數(shù)；IDM是漏極脈沖電流幅值。（4） 柵極開啟電壓UTUT又稱閥值電壓，是開通Power MOSFET的柵-源電壓，它為轉(zhuǎn)移特性的特性曲線與橫軸的交點(diǎn)。施加的柵源電壓不能太大，否則將擊穿器件。（5） 跨導(dǎo)gmgm是表征Power MOSFET 柵極控制能力的參數(shù)。分頁(yè)三、電力場(chǎng)效應(yīng)管的動(dòng)態(tài)特性和主要參數(shù)1、 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性主要描述輸入量與輸出量之間的時(shí)間關(guān)系，它影響器件的開關(guān)過程。由于該器件為單極型，靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此開關(guān)速度快、時(shí)間短，一般在納秒數(shù)量級(jí)。Power MOSFET的動(dòng)態(tài)特性。如圖3所示。Power MOSFET 的動(dòng)態(tài)特性用圖3(a)電路測(cè)

6、試。圖中，up為矩形脈沖電壓信號(hào)源；RS為信號(hào)源內(nèi)阻；RG為柵極電阻；RL為漏極負(fù)載電阻；RF用以檢測(cè)漏極電流。Power MOSFET 的開關(guān)過程波形，如圖3(b)所示。Power MOSFET 的開通過程：由于Power MOSFET 有輸入電容，因此當(dāng)脈沖電壓up的上升沿到來時(shí)，輸入電容有一個(gè)充電過程，柵極電壓uGS按指數(shù)曲線上升。當(dāng)uGS上升到開啟電壓UT時(shí)，開始形成導(dǎo)電溝道并出現(xiàn)漏極電流iD。從up前沿時(shí)刻到uGS=UT，且開始出現(xiàn)iD的時(shí)刻，這段時(shí)間稱為開通延時(shí)時(shí)間td(on)。此后，iD隨uGS的上升而上升，uGS從開啟電壓UT上升到Power MOSFET臨近飽和區(qū)的柵極電壓u

7、GSP這段時(shí)間，稱為上升時(shí)間tr。這樣Power MOSFET的開通時(shí)間ton=td(on)+tr (2)Power MOSFET的關(guān)斷過程：當(dāng)up信號(hào)電壓下降到0時(shí)，柵極輸入電容上儲(chǔ)存的電荷通過電阻RS和RG放電，使柵極電壓按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到uGSP 繼續(xù)下降，iD才開始減小，這段時(shí)間稱為關(guān)斷延時(shí)時(shí)間td(off)。此后，輸入電容繼續(xù)放電，uGS繼續(xù)下降，iD也繼續(xù)下降，到uGST時(shí)導(dǎo)電溝道消失，iD=0，這段時(shí)間稱為下降時(shí)間tf。這樣Power MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+tf (3)從上述分析可知，要提高器件的開關(guān)速度，則必須減小開關(guān)時(shí)間。在輸入電容一定的情況

8、下，可以通過降低驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻RS來加快開關(guān)速度。電力場(chǎng)效應(yīng)管晶體管是壓控器件，在靜態(tài)時(shí)幾乎不輸入電流。但在開關(guān)過程中，需要對(duì)輸入電容進(jìn)行充放電，故仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率。工作速度越快，需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。分頁(yè)2、 動(dòng)態(tài)參數(shù)（1） 極間電容Power MOSFET的3個(gè)極之間分別存在極間電容CGS，CGD，CDS。通常生產(chǎn)廠家提供的是漏源極斷路時(shí)的輸入電容CiSS、共源極輸出電容CoSS、反向轉(zhuǎn)移電容CrSS。它們之間的關(guān)系為CiSS=CGS+CGD (4)CoSS=CGD+CDS (5)CrSS=CGD (6)前面提到的輸入電容可近似地用CiSS來代替。（2） 漏源電壓上升率器件的動(dòng)態(tài)特性還受

9、漏源電壓上升率的限制，過高的du/dt可能導(dǎo)致電路性能變差，甚至引起器件損壞。四、電力場(chǎng)效應(yīng)管的安全工作區(qū)1、 正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)，如圖4所示。它是由最大漏源電壓極限線I、最大漏極電流極限線、漏源通態(tài)電阻線和最大功耗限制線，4條邊界極限所包圍的區(qū)域。圖中示出了4種情況：直流DC，脈寬10ms，1ms,10s。它與GTR安全工作區(qū)比有2個(gè)明顯的區(qū)別：因無二次擊穿問題，所以不存在二次擊穿功率PSB限制線；因?yàn)樗☉B(tài)電阻較大，導(dǎo)通功耗也較大，所以不僅受最大漏極電流的限制，而且還受通態(tài)電阻的限制。2、 開關(guān)安全工作區(qū)開關(guān)安全工作區(qū)為器件工作的極限范圍，如圖5所示。它是由最大峰值電流I

10、DM、最小漏極擊穿電壓BUDS和最大結(jié)溫TJM決定的，超出該區(qū)域，器件將損壞。3、 轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)因電力場(chǎng)效應(yīng)管工作頻率高，經(jīng)常處于轉(zhuǎn)換過程中，而器件中又存在寄生等效二極管，它影響到管子的轉(zhuǎn)換問題。為限制寄生二極管的反向恢復(fù)電荷的數(shù)值，有時(shí)還需定義轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)。器件在實(shí)際應(yīng)用中，安全工作區(qū)應(yīng)留有一定的富裕度。五、電力場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)1、 電力場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路電力場(chǎng)效應(yīng)管是單極型壓控器件，開關(guān)速度快。但存在極間電容，器件功率越大，極間電容也越大。為提高其開關(guān)速度，要求驅(qū)動(dòng)電路必須有足夠高的輸出電壓、較高的電壓上升率、較小的輸出電阻。另外，還需要一定的柵極驅(qū)動(dòng)電流。開通時(shí)，柵極電流可由下式

11、計(jì)算：IGon=CiSSuGS/tr=(GGS+CGD)uGS/ t r (7)關(guān)斷時(shí)，柵極電流由下式計(jì)算：IGoff=CGDuDS/tf (8)式（7）是選取開通驅(qū)動(dòng)元件的主要依據(jù)，式（8）是選取關(guān)斷驅(qū)動(dòng)元件的主要依據(jù)。為了滿足對(duì)電力場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求，一般采用雙電源供電，其輸出與器件之間可采用直接耦合或隔離器耦合。電力場(chǎng)效應(yīng)管的一種分立元件驅(qū)電路，如圖6所示。電路由輸入光電隔離和信號(hào)放大兩部分組成。當(dāng)輸入信號(hào)ui 為0時(shí)，光電耦合器截止，運(yùn)算放大器A輸出低電平，三極管V3導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路約輸出負(fù)20V驅(qū)動(dòng)電壓，使電力場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷。當(dāng)輸入信號(hào)ui為正時(shí)，光耦導(dǎo)通，運(yùn)放A輸出高電平，三極管V

12、2導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路約輸出正20V電壓，使電力場(chǎng)效應(yīng)管開通。分頁(yè)MOSFET的集成驅(qū)動(dòng)電路種類很多，下面簡(jiǎn)單介紹其中幾種：IR2130是美國(guó)生產(chǎn)的28引腳集成驅(qū)動(dòng)電路，可以驅(qū)動(dòng)電壓不高于600V電路中的MOSFET，內(nèi)含過電流、過電壓和欠電壓等保護(hù)，輸出可以直接驅(qū)動(dòng)6個(gè)MOSFET或IGBT。單電源供電，最大20V。廣泛應(yīng)用于三相MOSFET和IGBT的逆變器控制中。IR2237/2137是美國(guó)生產(chǎn)的集成驅(qū)動(dòng)電路，可以驅(qū)動(dòng)600V及1200V線路的MOSFET。其保護(hù)性能和抑制電磁干擾能力更強(qiáng)，并具有軟啟動(dòng)功能，采用三相柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路，能在線間短路及接地故障時(shí)，利用軟停機(jī)功能抑制短路造成過高峰

13、值電壓。利用非飽和檢測(cè)技術(shù)，可以感應(yīng)出高端MOSFET和IGBT的短路狀態(tài)。此外，內(nèi)部的軟停機(jī)功能，經(jīng)過三相同步處理，即使發(fā)生因短路引起的快速電流斷開現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)過高的瞬變浪涌過電壓，同時(shí)配有多種集成電路保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以輸出故障信號(hào)。TLP250是日本生產(chǎn)的雙列直插8引腳集成驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)含一個(gè)光發(fā)射二極管和一個(gè)集成光探測(cè)器，具有輸入、輸出隔離，開關(guān)時(shí)間短，輸入電流小、輸出電流大等特點(diǎn)。適用于驅(qū)動(dòng)MOSFET或IGBT。2、 電力場(chǎng)效應(yīng)管的保護(hù)措施電力場(chǎng)效應(yīng)管的絕緣層易被擊穿是它的致命弱點(diǎn)，柵源電壓一般不得超過20V。因此，在應(yīng)用時(shí)必須采用相應(yīng)的保護(hù)措施。通常有以下幾種：（1）

14、防靜電擊穿電力場(chǎng)效應(yīng)管最大的優(yōu)點(diǎn)是有極高的輸入阻抗，因此在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合易被靜電擊穿。為此，應(yīng)注意： 儲(chǔ)存時(shí)，應(yīng)放在具有屏蔽性能的容器中，取用時(shí)工作人員要通過腕帶良好接地； 在器件接入電路時(shí)，工作臺(tái)和烙鐵必須良好接地，且烙鐵斷電焊接； 測(cè)試器件時(shí)，儀器和工作臺(tái)都必須良好接地。（2） 防偶然性震蕩損壞當(dāng)輸入電路某些參數(shù)不合適時(shí)，可能引志震蕩而造成器件損壞。為此，可在柵極輸入電路中串入電阻。（3） 防柵極過電壓可在柵源之間并聯(lián)電阻或約20V的穩(wěn)壓二極管。（4） 防漏極過電流由于過載或短路都會(huì)引起過大的電流沖擊，超過IDM極限值，此時(shí)必須采用快速保護(hù)電路使用器件迅速斷開主回路。電動(dòng)自行車控制器MOS

15、FET驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)1、概述 電動(dòng)自行車具有環(huán)保節(jié)能，價(jià)格合適，無噪聲，便利等特點(diǎn)，因此，電動(dòng)自行車成為當(dāng)今社會(huì)人們主要的代步工具。與此同時(shí)，消費(fèi)者和商家對(duì)整車的質(zhì)量及可靠性要求也越來越高，作為整車四大件之一的電動(dòng)車控制器的可靠性顯得尤為重要。功率MOSFET以及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)直接與控制器的可靠性緊密相關(guān)，尤其是在續(xù)流側(cè)方面，MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，續(xù)流側(cè)MOSFET很容易損壞，因此本文就如何測(cè)量、分析與調(diào)整控制器的MOSFET驅(qū)動(dòng)線路來提高M(jìn)OSFET的可靠性作一些研究，以便能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)作一些參考。2、MOSFET開關(guān)過程及MOSFET參數(shù)模型 .1MOSFET開

16、通過程中的波形見圖1所示，其開通的過程可分為四個(gè)階段： 階段A、t0t1：門極電壓Vgs由0V逐漸上升至Vth，在此期間內(nèi)MOSFET關(guān)閉，Vds不變，Id=0A。 階段B、t1t2：門極電壓Vgs由Vth上升至平臺(tái)電壓Vp，門極電壓為Cgs充電。在此期間內(nèi)MOSFET開始導(dǎo)通并進(jìn)入飽和狀態(tài)，Vds基本保持不變，Id由0上升至Id（max）。 階段C、t2t3：門極電壓Vgs保持不變，門極電壓為Cgd充電。在此期間內(nèi)MOSFET仍處于飽和狀態(tài)，Vds迅速下降，Id保持不變。 階段D、t3t4：門極電壓Vgs由Vp繼續(xù)上升，在此期間內(nèi)MOSFET退出飽和狀態(tài)進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。 MOSFET關(guān)斷時(shí)

17、波形與開時(shí)再相反，在此不贅述。 2.2MOSFET寄生參數(shù)模型如圖2所示。 由于MOSFET的結(jié)構(gòu)、引線和封裝的影響，在MOSFET制作完成后，其各引腳間存在PN結(jié)寄生電容和寄生電感，引腳上存在引線電感。由于源極的引線較長(zhǎng)，Ls一般要比Ld大。右圖為簡(jiǎn)化的MOSFET參數(shù)模型。因此，我們?cè)趯?shí)際的開關(guān)應(yīng)用中應(yīng)特別注意寄生電容和引線電感對(duì)開關(guān)波形的影響，特別是在負(fù)載為電感性負(fù)載時(shí)更應(yīng)注意。MOSFET的輸入電容、反向傳輸電容和輸出電容分別表示如下： Ciss=Cgs+Cgd Crss=Cgd Coss=Cgd+Cds3、兩種常見的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路 3.1由分立器件組成的驅(qū)動(dòng)電路（如圖3所示），

18、驅(qū)動(dòng)電路A當(dāng)HS為高電平時(shí)，Q7、Q4導(dǎo)通，Q6關(guān)閉，電容C4上的電壓（約14V）經(jīng)過Q4、D3、R6加到Q5的柵極，使Q5導(dǎo)通。在導(dǎo)通期間，Q5的源極電壓（Phase）接近電源電壓Vdc，所以電容兩端的電壓隨著Phase電壓一起浮動(dòng)，電容C4亦稱為自舉電容。Q5靠C4兩端的電壓來維持導(dǎo)通。 B.當(dāng)HS為低電平時(shí)，Q7、Q4關(guān)閉，Q6導(dǎo)通，為Q5的柵極提供放電回路，從而使Q5很快關(guān)閉。當(dāng)Q5關(guān)閉后，由于下管的開通或負(fù)載的作用，使得Phase電壓下降接近0V，從而使C4經(jīng)過+15VD2C4GND回路充電，為下一次導(dǎo)通做好準(zhǔn)備。 C.當(dāng)LS為低電平時(shí)，Q8、Q11導(dǎo)通，Q10關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)電路通過R1

19、1為下管Q9的柵極充電，使Q9導(dǎo)通。 D.當(dāng)LS為高電平時(shí)，Q8、Q11關(guān)閉，Q10導(dǎo)通，為Q9的柵極提供放電回路,使Q9關(guān)斷。 E.當(dāng)HS和LS同時(shí)為高電平時(shí)，上管開通下管關(guān)閉。當(dāng)HS和LS同時(shí)為低電平時(shí)，上管關(guān)閉下管開通。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免上下管同時(shí)開通，HS和LS的邏輯要靠MCU或邏輯電路來保證2半橋驅(qū)動(dòng)芯片組成的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，工作原理如下：A當(dāng)HS和LS同時(shí)為高電平時(shí)，HO有驅(qū)動(dòng)電壓輸出，使Q1開通。當(dāng)HS和LS同時(shí)為低電平時(shí)，LO有驅(qū)動(dòng)電壓輸出，使Q2開通。 B電容C2與分立器件驅(qū)動(dòng)電路里的C4作用相同，同樣為自舉電容。 C電容C1為去藕電容，為抑制功率MOSFET開關(guān)時(shí)對(duì)

20、驅(qū)動(dòng)電路浮動(dòng)電源部分的干擾，一般應(yīng)加上此電容。 3.3兩種驅(qū)動(dòng)線路的區(qū)別： A兩種驅(qū)動(dòng)電路在開通時(shí)能提供基本相同的驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)MOSFET開通，但在MOSFET關(guān)斷時(shí)，分立器件驅(qū)動(dòng)電路因?yàn)橛腥龢O管放電，所以能提供更大的放電電流關(guān)閉MOSFET，而半橋驅(qū)動(dòng)電路由于要經(jīng)過柵極電阻放電，所以放電電流相對(duì)較小，導(dǎo)致MOSFET關(guān)閉時(shí)間過長(zhǎng)，開關(guān)損耗相應(yīng)增加。解決的辦法可以是在驅(qū)動(dòng)電阻上反并聯(lián)一只二極管并增加一個(gè)放電的PNP三極管。 B分立器件驅(qū)動(dòng)電路用的器件較多，可靠性相對(duì)沒有半橋芯片的驅(qū)動(dòng)電路高。但前提條件是半橋驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電路要設(shè)計(jì)合理。4、MOSFET驅(qū)動(dòng)線路的要求及參數(shù)的調(diào)整 4.1門極電壓

21、不能超過Vgs的最大值。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)線路時(shí)，應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)電源電壓和線路的抗干擾性，確保MOSFET在帶感性負(fù)載且工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)柵極電壓不超過Vgs的最大值。 4.2為了能夠減少M(fèi)OSFET的開關(guān)損耗，驅(qū)動(dòng)線路應(yīng)能提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，使開通和關(guān)斷的時(shí)間盡可能短，同時(shí)，盡量減少門極電壓的高頻震蕩。如果要獲得同樣的RC時(shí)間常數(shù)，使用較小的驅(qū)動(dòng)電阻和較大的電容可以獲得較好的驅(qū)動(dòng)特性，但驅(qū)動(dòng)線路的損耗同時(shí)也增加了。 圖5和圖6是實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)試波形，從圖中我們可以看出：電容的增加使得開啟的時(shí)間變長(zhǎng)，增加了開通損耗。電容的增加，使得門極電壓的高頻震蕩減少。同時(shí)，由于米勒平臺(tái)的振蕩減小，MOSFET在米勒平

22、臺(tái)期間的損耗也會(huì)相應(yīng)4.3延長(zhǎng)MOSFET的開通時(shí)間可以減小開通時(shí)的涌入電流。由于電機(jī)負(fù)載為感性負(fù)載，所以在PWM關(guān)斷時(shí)存在續(xù)流現(xiàn)象（見圖7中的I2），為了減小續(xù)流側(cè)反向恢復(fù)電流（Irr）的大小，PWM側(cè)開關(guān)管的開通速度不宜過快。由于MOSFET處于飽和區(qū)時(shí)有公式：Id=K*(Vgs-Vth)2,（K為一常數(shù)，由MOSFET的特性決定）。所以在一定的溫度和Vds條件下，從MOSFET的門極驅(qū)動(dòng)電壓Vgs可以判斷MOSFET中的電流大小。圖5中Vgs峰值為9.1V，圖6中Vgs峰值為6.4V，所以增加電容使得峰值電流減小。Id也可從MOSFET的轉(zhuǎn)移特性圖中獲得。4.4由于MOSFET的封裝電感

23、和線路的雜散電感的存在，在MOSFET反向恢復(fù)電流Irr突然關(guān)斷時(shí)，MOSFET（Q3）上的電壓Vds會(huì)出現(xiàn)振鈴（如圖8中CH2所示）。此振鈴的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致Vds超過MOSFET的擊穿電壓從而發(fā)生雪崩現(xiàn)象。如果線路中出現(xiàn)振鈴，我們可以通過以下方法來減小振鈴：A設(shè)計(jì)線路時(shí)應(yīng)考慮線路板布線：盡量縮短驅(qū)動(dòng)線路與MOSFET之間的線跡長(zhǎng)度；使大電流回路的銅箔走線盡量短且寬，必要時(shí)可以在銅箔表面加錫；合理的走線，使大電流環(huán)路的面積最小。 B如果線路雜散電感已經(jīng)確定，可以通過減小PWM側(cè)的MOSFET開通速度來減小在續(xù)流側(cè)的MOSFET上的Vds振鈴，從而能夠使MOSFET上的Vds不超過最大耐壓值。 C如

24、果以上兩種方法都不能很好地解決問題，我們可以通過在相線上加snubber的方法來抑制線路的振鈴。 4.5注意Cdv/dt產(chǎn)生的柵極感應(yīng)電壓。 如圖7所示：在控制MOSFETQ1的導(dǎo)通開關(guān)期間，因?yàn)镼1的米勒效應(yīng)和導(dǎo)通延遲的緣故，滿輸入電壓并不會(huì)立刻出現(xiàn)在Q3的漏極上。施加在Q3上的漏極電壓會(huì)感應(yīng)出一個(gè)通過其柵漏極間米勒電容Cgd（見圖2）進(jìn)行耦合的電流。該感應(yīng)電流在Q3的內(nèi)部柵極電阻Rg和外部柵極電阻的兩端產(chǎn)生一個(gè)壓降。該電壓將對(duì)Q3柵極上的柵源極間電容Cgs進(jìn)行充電。Q3上的感應(yīng)柵極電壓的幅度是dv/dt、Cgd、Cgs和總柵極電阻的一個(gè)函數(shù)。感應(yīng)柵極電壓如圖8中的CH1所示，其值已達(dá)到2.

25、3V。另外，由于源極引線電感的存在，在Q3內(nèi)的電流迅速減小時(shí)，會(huì)在Ls的兩端感應(yīng)出一個(gè)極性為上負(fù)下正的電壓，如圖9所示，此時(shí)加在DIE上的電壓Vgs（die）要大于在外部引腳上測(cè)量的Vgs電壓，所以由于Ls的影響，使得MOSFET有提前導(dǎo)通的可能。如果下管由于感應(yīng)電壓而導(dǎo)通，則會(huì)造成上下管穿通，如果MOSFET不能承受此穿通電流，MOSFET就會(huì)損壞。 4.5.1防止產(chǎn)生Cdv/dt感應(yīng)導(dǎo)通的方法： A選擇具有較高門限電壓的MOSFET。 B選擇具有較小米勒電容Cgd和較小Cgd/Cgs的MOSFET。 C使上橋（Q1）的開啟速度變慢，從而減小關(guān)斷時(shí)的dv/dt和di/dt，使感應(yīng)電壓Cdv/

26、dt和Lsdi/dt減小。 D增加Q3的柵極電容Cgs，從而減小感應(yīng)電壓。 4.5.2保留Cdv/dt感應(yīng)導(dǎo)通的好處Cdv/dt感應(yīng)導(dǎo)通有一個(gè)好處：它能夠減小續(xù)流側(cè)MOSFET上的電壓尖峰和Vds振鈴（V=LdIrr/dt；L：環(huán)路寄生電感），同時(shí)也減小了系統(tǒng)的EMI干擾。因此，在設(shè)計(jì)MOSFET驅(qū)動(dòng)線路時(shí)，我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來權(quán)衡驅(qū)動(dòng)參數(shù)的調(diào)整，即究竟是阻止Cdv/dt感應(yīng)導(dǎo)通以求最大限度地提升電路效率和可靠性還是采用Cdv/dt感應(yīng)導(dǎo)通來抑制過多的寄生振鈴。5、結(jié)論 A在開始設(shè)計(jì)之前，應(yīng)該全面了解所選MOSFET的參數(shù)，判斷MOSFET是否能滿足產(chǎn)品要求，包括MOSFET的耐壓（Vgs和V

27、ds）、最大電流等參數(shù)，確保當(dāng)工作條件最惡劣時(shí)這些參數(shù)不要超過MOSFET的最大額定值。 B在線路設(shè)計(jì)階段，必須進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，以確保MOSFET工作在安全工作區(qū)。應(yīng)特別注意線路板的布線，盡量減小線路雜散電感。 C在不影響可靠性的情況下盡量縮短開關(guān)時(shí)間，將開關(guān)損耗降到最低。有時(shí)為了進(jìn)一步提高效率，降低溫升，還可采用同步整流。、電動(dòng)車控制器的實(shí)現(xiàn)方式與組成部分：目前電動(dòng)自行車用控制器，不管有刷無刷，普遍采用PWM調(diào)速方式。電動(dòng)車控制器內(nèi)部必須要有PWM發(fā)生器電路，還要有電源電路，功率器件，功率器件驅(qū)動(dòng)電路，控制器件驅(qū)動(dòng)電路，控制部件（轉(zhuǎn)把、閘把、電機(jī)霍耳等）信號(hào)采集單元與處理電路，過流與欠壓等保護(hù)電

28、路。2、影響電動(dòng)車控制器可靠性的因素：控制器的失效，從表現(xiàn)形式來看，一般有以下幾種： 1）、功率器件損壞； 2）、電動(dòng)自行車電機(jī)技術(shù)控制器內(nèi)部供電電源損壞； 3）、電動(dòng)車控制器工作時(shí)斷時(shí)續(xù)； 4）、連接線磨損及接插件接觸不良或脫落引起控制信號(hào)丟失。針對(duì)以上失效形式的起因分析如下：A、功率器件的損壞，一般有以下幾種可能：電動(dòng)自行車電機(jī)技術(shù)電機(jī)損壞引起的；功率器件本身的質(zhì)量差或選用等級(jí)不夠引起的；器件安裝或振動(dòng)松動(dòng)引起的；電機(jī)過載引起的；功率器件驅(qū)動(dòng)電路損壞或參數(shù)設(shè)計(jì)不合理引起的。B、控制器內(nèi)部電源的損壞，一般有以下幾種可能：控制器內(nèi)部電路短路；外圍控制部件短路；外部引線短路。C、電動(dòng)自行車電機(jī)技

29、術(shù)控制器工作起來時(shí)斷時(shí)續(xù)，一般有以下幾種可能：器件本身在高溫或低溫環(huán)境下參數(shù)漂移；控制器總體設(shè)計(jì)功耗大導(dǎo)致某些器件局部溫度過高而使器件本身進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；接觸不良。D、連接線磨損及接插件接觸不良或脫落，一般有以下幾種可能：線材選擇不合理；對(duì)線材的保護(hù)不完備；接插件的選型不好；線束與接插件的壓接不牢。3、提高控制器的可靠性的方案：了解電動(dòng)車控制系統(tǒng)可能發(fā)生故障點(diǎn)以后，有針對(duì)性的可靠性設(shè)計(jì)就有了目標(biāo)。A、首先是功率器件的型號(hào)，品牌，產(chǎn)地與供應(yīng)商的選擇，然后對(duì)功率器件的篩選，以上兩點(diǎn)是提高功率器件可靠性前提。在此基礎(chǔ)上，對(duì)功率器件安裝工藝的設(shè)計(jì)和對(duì)功率器件驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)才有意義。對(duì)無刷電機(jī)控制器而言，

30、一般上三路功率管的驅(qū)動(dòng)比較復(fù)雜，目前大多數(shù)廠家采用專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)。專用驅(qū)動(dòng)芯片的不足之處是價(jià)格較高，內(nèi)部的變電路采用了有源電路，轉(zhuǎn)換效率偏低，其主要的應(yīng)用場(chǎng)合是在周圍電路完全沒有交流電存在情況下，利用其內(nèi)部電路完成變頻、升壓與整流。B、對(duì)于電動(dòng)自行車電機(jī)技術(shù)控制器的內(nèi)部電源，為了防止電動(dòng)車控制器內(nèi)部或外部短路對(duì)電源的損壞，同時(shí)也是出于對(duì)電動(dòng)自行車電機(jī)技術(shù)電源自身的保護(hù)，可以把電源設(shè)計(jì)成獨(dú)立供電方式，這樣既可以防止局部電路（轉(zhuǎn)把，閘把、電機(jī)傳感器等）發(fā)生短路而燒壞控制器，又可以防止電源電壓異常升高而擊穿外部器件。基于以上考慮，可以采用DCDC模塊的負(fù)載能力強(qiáng)，自身的功率損耗相當(dāng)?shù)停ú坏?.1W

31、），這在提高控制器的整體效率，降低控制器的運(yùn)行溫度方面有著線形穩(wěn)壓器無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。C、要克服電動(dòng)車控制器對(duì)溫度的敏感，第一是選擇溫度系數(shù)好的元器件，第二是從設(shè)計(jì)上降低各模塊電路的功率消耗，第三是盡量減少無用功消耗，第四是充分考慮到控制器的散熱。如果采用無功率消耗的功率管驅(qū)動(dòng)方案，加上高效率的DCDC電源模塊，可以將控制器工作電流降低到30mA以下。在這里需要解釋一下的是，在電動(dòng)車控制器里，用于采樣電流信號(hào)的阻值大功率電阻器件屬于控制的功率器件之一，電流采樣電阻的功率消耗屬于無用消耗，應(yīng)該算控制器功率損耗的一部分，要減小控制器的功耗，降低控制器的運(yùn)行溫度，可以利用電機(jī)的轉(zhuǎn)整與電機(jī)電流的絕對(duì)對(duì)應(yīng)

32、關(guān)系，通過檢測(cè)電動(dòng)自行車電機(jī)技術(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速來檢測(cè)電機(jī)電流，從而達(dá)到控制電流的目的。D、由于電動(dòng)車電氣系統(tǒng)信號(hào)的傳輸是用連接線束來完成的，出于提高電動(dòng)車整車的可靠性和提高控制器本身的可靠性出發(fā)，對(duì)電動(dòng)車連接線束與接插件的要求是：邊接可靠，防水，防塵，抗震，防氧化，防磨損?；谝陨弦?，電動(dòng)車邊接線束與接插件要有完備的防護(hù)套，接插件一定要達(dá)到汽車級(jí)的接插要求，因?yàn)殡妱?dòng)車的使用環(huán)境從某種意義上講，比汽車的使用環(huán)境還要惡劣。4、對(duì)于無刷電機(jī)控制器，由于輸入控制變量與控制器使用功率器件比較多，控制器可以利用各種輸入信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)完成相當(dāng)完善的與想當(dāng)靈活的保護(hù)，這些保護(hù)功能可以有：過流保護(hù)、減流保護(hù)、低

33、電流過載保護(hù)，電機(jī)換相信號(hào)錯(cuò)誤保護(hù)以及在沒有過流的情況下電機(jī)堵轉(zhuǎn)直接保護(hù)等。電動(dòng)車無刷控制器通過直接讀取各種控制信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或保護(hù)，這種方法就可以大大提高無刷控制器的設(shè)計(jì)可靠性。電動(dòng)自行車用電機(jī)控制器原理與維修（A）電動(dòng)車用電機(jī)控制器近年來的發(fā)展速度之快，使人難以想象，操作上越來越“傻瓜”化，而顯示則越來越復(fù)雜化。比如，電動(dòng)車車速的控制已經(jīng)發(fā)展到“巡航鎖定”；驅(qū)動(dòng)方面，有的同時(shí)具有電動(dòng)性能和助力功能，如果轉(zhuǎn)換到助力狀態(tài)，借助鏈條張力測(cè)力器，或中軸扭力傳感器，只要用腳踏動(dòng)腳蹬，便可執(zhí)行助力或確定助力的大小。這期本刊開始給您講述控制器的知識(shí)，讓您對(duì)控制器有一個(gè)更全面的了解。 一、電動(dòng)車控制器

34、與保護(hù)功能 （一）控制器簡(jiǎn)介 簡(jiǎn)略地講控制器是由周邊器件和主芯片（或單片機(jī)）組成。周邊器件是一些功能器件，如執(zhí)行、采樣等，它們是電阻、傳感器、橋式開關(guān)電路，以及輔助單片機(jī)或?qū)Ｓ眉呻娐吠瓿煽刂七^程的器件；單片機(jī)也稱微控制器，是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號(hào)語(yǔ)言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調(diào)制功能電路以及能使開關(guān)電路功率管導(dǎo)通或截止、通過方波控制功率管的的導(dǎo)通時(shí)間以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)電路、輸入輸出端口等集成在一起，而構(gòu)成的計(jì)算機(jī)片。這就是電動(dòng)自行車的智能控制器。它是以“傻瓜”面目出現(xiàn)的高技術(shù)產(chǎn)品。 控制器的設(shè)計(jì)品質(zhì)、特性、所采用的微處理器的功能、功率開關(guān)器件電路及周邊器件布局等，直接關(guān)系到整

35、車的性能和運(yùn)行狀態(tài)，也影響控制器本身性能和效率。不同品質(zhì)的控制器，用在同一輛車上，配用同一組相同充放電狀態(tài)的電池，有時(shí)也會(huì)在續(xù)駛能力上顯示出較大差別。 （二）控制器的型式 目前，電動(dòng)自行車所采用的控制器電路原理基本相同或接近。 電動(dòng)車有刷和無刷直流電機(jī)大都采用脈寬調(diào)制的PWM控制方法調(diào)速，只是選用驅(qū)動(dòng)電路、集成電路、開關(guān)電路功率晶體管和某些相關(guān)功能上的差別。元器件和電路上的差異，構(gòu)成了控制器性能上的不大相同?？刂破鲝慕Y(jié)構(gòu)上分兩種，我們把它稱為分離式和整體式。 1、分離式所謂分離，是指控制器主體和顯示部分分離（圖4-22、圖4-23）。后者安裝在車把上，控制器主體則隱藏在車體包廂或電動(dòng)箱內(nèi)，不露

36、在外面。這種方式使控制器與電源、電機(jī)間連線距離縮短，車體外觀顯得簡(jiǎn)潔。 2、一體式控制部分與顯示部分合為一體，裝在一個(gè)精致的專用塑料盒子里。盒子安裝在車把的正中，盒子的面板上開有數(shù)量不等的小孔，孔徑45mm，外敷透明防水膜?？變?nèi)相應(yīng)位置設(shè)有發(fā)光二極管以指示車速、電源和電池剩余電量。 （三）控制器的保護(hù)功能 保護(hù)功能是對(duì)控制器中換相功率管、電源免過放電，以及電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，因某種故障或誤操作而導(dǎo)致的可能引起的損傷等故障出現(xiàn)時(shí)，電路根據(jù)反饋信號(hào)采取的保護(hù)措施。電動(dòng)自行車基本的保護(hù)功能和擴(kuò)展功能如下： 1、制動(dòng)斷電電動(dòng)自行車車把上兩個(gè)鉗形制動(dòng)手把均安裝有接點(diǎn)開關(guān)。當(dāng)制動(dòng)時(shí)，開關(guān)被推押閉合或被斷開，而

37、改變了原來的開關(guān)狀態(tài)。這個(gè)變化形成信號(hào)傳送到控制電路中，電路根據(jù)預(yù)設(shè)程序發(fā)出指令，立即切斷基極驅(qū)動(dòng)電流，使功率截止，停止供電。因而，既保護(hù)了功率管本身，又保護(hù)了電動(dòng)機(jī)，也防止了電源的浪費(fèi)。 2、欠壓保護(hù)這里指的是電源的電壓。當(dāng)放電最后階段，在負(fù)載狀態(tài)下，電源電壓已經(jīng)接近“放電終止電壓”，控制器面板（或儀表顯示盤）即顯示電量不足，引起騎行者的注意，計(jì)劃自己的行程。當(dāng)電源電壓已經(jīng)達(dá)到放終時(shí)，電壓取樣電阻將分流信息饋入比較器，保護(hù)電路即按預(yù)先設(shè)定的程序發(fā)出指令，切斷電流以保護(hù)電子器件和電源。 3、過流保護(hù)電流超限對(duì)電機(jī)和電路一系列元器件都可能造成損傷，甚至燒毀，這是絕對(duì)應(yīng)當(dāng)避免的?？刂齐娐分?，必須具

38、備這種過電流的保護(hù)功能，在過流時(shí)經(jīng)過一定的延時(shí)即切斷電流。 4、過載保護(hù)過載保護(hù)和過電流保護(hù)是相同的，載重超限必然引起電流超限。電動(dòng)自行車說明書上都特別注明載重能力，但有的騎行者或未注意這一點(diǎn)，或抱著試一下的心理故意超載。如果沒有這種保護(hù)功能，不一定在哪個(gè)環(huán)節(jié)上引起損傷，但首當(dāng)其沖的就是開關(guān)功率管，只要無刷控制器功率管燒毀一只，變成兩相供電后電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)即變得無力，騎行者立即可以感覺到脈動(dòng)異常；若繼續(xù)騎行，接著就燒毀第2個(gè)、第3個(gè)功率管。有兩相功率管不工作，電動(dòng)機(jī)即停止運(yùn)行，有刷電機(jī)則失去控制功能。因此，由過載引起的過電流是很危險(xiǎn)的。但只要有過電流保護(hù)，載重超限后電路自動(dòng)切斷電源，因超載而引起的

39、一系列后果都可以避免。 5、欠速保護(hù)仍然屬于過流保護(hù)范疇，是為不具備0速起步功能的無刷控制系統(tǒng)而設(shè)置， 6、限速保護(hù)是助力型電動(dòng)自行車獨(dú)有的設(shè)計(jì)控制程序。車速超過某一預(yù)定值時(shí)，電路停止供電不予助力。對(duì)電動(dòng)型電動(dòng)自行車而言，統(tǒng)一規(guī)定車速為20km/h，車用電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，額定轉(zhuǎn)速就已經(jīng)設(shè)定好了，控制電路也已經(jīng)設(shè)好。電動(dòng)自行車只能在不超過這個(gè)速度狀態(tài)下運(yùn)行。 控制器的位置不會(huì)影響到性能，主要視設(shè)計(jì)者的意圖。 但有幾項(xiàng)原則： （1）在運(yùn)行操作允許時(shí)； （2）在整體布置允許時(shí)； （3）在線路布設(shè)要求時(shí)； （4）在配套設(shè)施要求時(shí)電動(dòng)自行車控制器系統(tǒng)構(gòu)架及其發(fā)展趨勢(shì)本文介紹了通用電動(dòng)自行車控制器系統(tǒng)構(gòu)架和

40、基本的工作原理。同時(shí)本文從功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)、PCB設(shè)計(jì)和整機(jī)的防護(hù)四個(gè)方面詳細(xì)的探討了進(jìn)一步提高電動(dòng)自行車控制器的可靠性的設(shè)計(jì)方法及其注意的細(xì)節(jié)。最后，給出了電動(dòng)車控制器的電源電池，集成的功率元件模塊的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車控制器驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)電動(dòng)自行車具有環(huán)保節(jié)能，價(jià)格合適，無噪聲，便利等特點(diǎn)，因此獲得越來越廣泛的應(yīng)用。常用的電動(dòng)自行車通過控制器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車無刷直流電機(jī)，因此整個(gè)控制器的設(shè)計(jì)對(duì)于電動(dòng)自行車性能及可靠性具有極其重要的作用。然而，目前，從應(yīng)用的情況來看，控制器的返修率仍然較高。本文主要探討在控制器的設(shè)計(jì)過程中被電子工程師所忽略的技術(shù)問題，如電動(dòng)車控制器的功率元

41、件驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)延時(shí)響應(yīng)等，從而為電動(dòng)自行車控制器的設(shè)計(jì)工程師提供一些參考，在最大的程度上提高系統(tǒng)的可靠性，降低故障率。1、電動(dòng)自行車控制器系統(tǒng)構(gòu)架 1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 無刷直流電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩、長(zhǎng)壽命和低噪聲的特點(diǎn)，因此在電動(dòng)自行車中獲得廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)控制要比有刷直流電機(jī)控制復(fù)雜，無刷直流電機(jī)控制器的主功率電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1中，Q1和Q2構(gòu)成無刷直流電機(jī)A相繞組的橋臂，Q3和Q4構(gòu)成無刷直流電機(jī)B相繞組的橋臂，Q5和Q6構(gòu)成無刷直流電機(jī)C相繞組的橋臂。對(duì)于每個(gè)橋臂的工作模式如下： 模式1：Q1、Q4導(dǎo)通，電流從電池正極流經(jīng)Q1、A相繞組、B相繞組、Q4和電流檢測(cè)電阻，然后回到電池

42、負(fù)極。 模式2：Q1關(guān)斷，Q4仍然導(dǎo)通，由于電流繞組為感性負(fù)載，其電流不能突變，電感電流將維持原來的方向不變，因此，A相下橋臂的功率MOSFET管Q2體內(nèi)寄生的二極管導(dǎo)通續(xù)流。 模式3：控制器換相Q5導(dǎo)通，A相繞組承受負(fù)電壓去磁，A相繞組的電流即Q2的電流下降到0，完成A相的換相。 如果上橋臂的功率MOSFET管關(guān)斷時(shí)，下橋臂的功率MOSFET管不導(dǎo)通，完全依靠其體內(nèi)寄生的二極管導(dǎo)通續(xù)流，這種控制方法為非同步整流控制；如果上橋臂的功率MOSFET管關(guān)斷時(shí)，下橋臂的功率MOSFET管經(jīng)過一定的延時(shí)即后導(dǎo)通，這種控制方法為同步整流控制。同步整流控制時(shí)，下橋臂由功率MOSFET管導(dǎo)通續(xù)流，因此提高了

43、系統(tǒng)的效率。 對(duì)于非同步整流控制，常用的控制IC為MC33035。對(duì)于同步整流控制，常用的控制MCU為PIC16F72，CypressCY8C以及凌陽(yáng)的單片機(jī)。同步整流控制具有高的效率，應(yīng)用更為廣泛。 1.2功率MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路 目前無刷直流電機(jī)控制器的功率MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路有兩種方案：集成的驅(qū)動(dòng)IC和由分離的元件即PNP三極管、NPN三極管、電阻電容和邏輯電路組成的驅(qū)動(dòng)電路。使用集成的驅(qū)動(dòng)IC時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相對(duì)的簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高，結(jié)構(gòu)緊湊，但成本高。使用分離的元件的驅(qū)動(dòng)電路，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜要復(fù)雜一些，由于分離的元件參數(shù)的分散性，驅(qū)動(dòng)電路很難做到優(yōu)化的設(shè)計(jì)。 當(dāng)系統(tǒng)使用不

44、同的功率MOSFET管時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的相關(guān)參數(shù)必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在功率MOSFET管開通時(shí)，以得到合適的門極電壓隨時(shí)間上升的斜率，即dVgs/dt，從而在功率MOSFET管的開通功耗和VDS電壓尖峰之間取得一定的在圖1中，Rs為電流檢測(cè)電阻，Rs上的電流檢測(cè)電壓VRS送到圖2所示的電流檢測(cè)電路；電流檢測(cè)電路為運(yùn)放LM358組成的同相放大器。同相放大器有較高的共模抑制比CMRR，可以抑制來自接地的電流檢測(cè)電阻的共模噪聲。電阻R4和電容C1組成RC濾波電路，抑制電流檢測(cè)信號(hào)的共差噪聲。2、電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì)中存在的問題 2.1功率MOSFET管驅(qū)動(dòng) 在圖1中，功率MOSFET管為AOS的AOT4

45、30，從其數(shù)據(jù)表可以看出，其門極和源極的電容以及門極和漏極的電容與其它公司不同，因此針對(duì)其應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要考慮到這些參數(shù)的影響。通常在電動(dòng)自行車的應(yīng)用中，通過調(diào)整門極串聯(lián)電阻和門極和源極的并聯(lián)電容的值來調(diào)整MOSFET的開通速度。門極串聯(lián)電阻和門極和源極的并聯(lián)電容值越大，開關(guān)的速度越慢。只有選取合適的驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)以及一個(gè)橋臂上下管導(dǎo)通的間隔，在同步整流控制方式上，就可以很好的控制開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)DS上的電壓尖峰，同時(shí)保證MOSFET的開關(guān)損耗在其所承受的額定值之內(nèi)。加大門極串聯(lián)電阻以及加大門極和源極的并聯(lián)電容的值可以降低MOSFET開通的速度，但也增加了其在電阻區(qū)的時(shí)間，從而增加了開通損

46、耗。 2.2電流檢測(cè) 通常電動(dòng)車控制器發(fā)生故障是主功率MOSFET管的損壞，有時(shí)是一個(gè)橋臂的單個(gè)功率管燒壞，有時(shí)是整個(gè)橋臂的兩個(gè)功率MOSFET管同時(shí)燒壞。在起動(dòng)以及堵轉(zhuǎn)的條件下，功率MOSFET管燒壞的幾率較大。在同步整流控制方式中，在起動(dòng)過程中，由于CPU進(jìn)行初始化需要一定的時(shí)間，CPU輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定也需要一定的時(shí)間，那么在起動(dòng)中就可能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)的信號(hào)邏輯關(guān)系不穩(wěn)定或混亂的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致一個(gè)橋臂上下管直通，而此時(shí)由于電流檢測(cè)電路的信號(hào)送到CPU時(shí)，CPU還來不及處理，從而損壞功率MOSFET。最好采用一定的上電時(shí)序電路，使CPU先上電，穩(wěn)定后才加功率電源。 堵轉(zhuǎn)是電動(dòng)自行車最惡劣的工作

47、狀態(tài)，此時(shí)也會(huì)發(fā)生一個(gè)橋臂上下管的直通。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，盡管采用了由LM385組成的電流檢測(cè)電路，但是MOSFET仍然產(chǎn)生燒壞的現(xiàn)象，這表明電流檢測(cè)電路沒有可靠的工作。電流檢測(cè)電阻采用一定長(zhǎng)度的康銅絲，考慮限流值的范圍，設(shè)計(jì)時(shí)電流檢測(cè)電阻必須以最大的限流值作為參考。另外電阻的精度也會(huì)影響電流檢測(cè)的精確度。電流取樣信號(hào)必須直接引自取樣電阻的兩端，以免影響電流檢測(cè)的精度。另外檢測(cè)電阻兩個(gè)管腳的焊錫也會(huì)影響取樣電阻的電阻值，從而也會(huì)影響取樣電流的精度電流的取樣精度是系統(tǒng)進(jìn)行可靠的電流保護(hù)的前提。在排除以上問題的前提下，還有一個(gè)十分重要的參數(shù)影響電流的取樣精度。在圖1中，使用了一個(gè)RC的濾波器濾除

48、干擾噪聲，但這個(gè)RC的濾波器會(huì)對(duì)電流的取樣信號(hào)帶來延時(shí)，RC的值越大，延時(shí)也就越大，信號(hào)幅值的誤差也越大。LM358對(duì)輸入信號(hào)有一定的帶寬限制，放大倍數(shù)越大，信號(hào)的帶寬越窄。另外，CPU在接收到過流信號(hào)時(shí)，從響應(yīng)中斷到處理完中斷，到最后關(guān)斷輸出脈沖也需要一定的時(shí)間，那么這樣參數(shù)的細(xì)節(jié)不經(jīng)過仔細(xì)的考慮，在上下橋臂直通后短路，電流隨時(shí)間迅速增大，電流檢測(cè)電阻的電壓信號(hào)也隨時(shí)間迅速增加，當(dāng)CPU檢測(cè)到過流信號(hào)后輸出保護(hù)關(guān)斷脈沖前，各種延時(shí)使上下橋臂直通產(chǎn)生的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際設(shè)定的過流保護(hù)點(diǎn)，從而燒壞MOSFET管。尤其是在溫度升高時(shí)，LM358的帶寬進(jìn)一步的降低，影響過流保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間。 由此可證：減小RC值，提高CPU的工作頻率，使用高GBP的運(yùn)算放大器或使用工業(yè)級(jí)的運(yùn)放LM258，可以提高過流響應(yīng)的時(shí)間和精確度。 2.3PCB設(shè)計(jì) PCB的布局通常是每個(gè)橋臂的上下MOSFET并排在一起放置，三個(gè)橋臂六個(gè)MOSFEF排成一列，電流的取樣電阻放置在最邊沿