MOSFET基本原理

1、Principle of MOSFET功率場效應(yīng)管(Power MOSFET)也叫電力場效應(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)動功率小,開關(guān)速度高、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特點。由于其易于驅(qū)動和開關(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。但因為其電流、熱容量小，耐壓低，一般只適用于小功率電力電子裝置。一、電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理電力場效應(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，同時又有耗盡型和增強型之分。在電力電子裝置中，主要應(yīng)用N溝道增強型。電力

2、場效應(yīng)晶體管導(dǎo)電機理與小功率絕緣柵MOS管相同，但結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。小功率絕緣柵MOS管是一次擴散形成的器件，導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，橫向?qū)щ?。電力場效?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和雙擴散VDMOSFET。電力場效應(yīng)晶體管采用多單元集成結(jié)構(gòu)，一個器件由成千上萬個小的MOSFET組成。N溝道增強型雙擴散電力場效應(yīng)晶體管一個單元的部面圖，如圖1(a)所示。電氣符號，如圖1(b)所示。電力場效應(yīng)晶體管有3個端子：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，柵極和源極之間電壓為0，溝道不導(dǎo)電，管子處

3、于截止。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，漏極電流越大。二、電力場效應(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，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                          

5、（1）圖中UT為開啟電壓，只有當(dāng)UGS=UT時才會出現(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）&

6、#160;      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。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)。分頁三、電力場效應(yīng)管的動態(tài)特性和主要參數(shù)1、  動態(tài)特性動態(tài)特性主要描述輸入量與輸出量之間的時間關(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、時間短，一般在納秒數(shù)量級。Power MO

7、SFET的動態(tài)特性。如圖3所示。Power MOSFET 的動態(tài)特性用圖3(a)電路測試。圖中，up為矩形脈沖電壓信號源；RS為信號源內(nèi)阻；RG為柵極電阻；RL為漏極負(fù)載電阻；RF用以檢測漏極電流。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，輸入電容有一個充電過程，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，開始形成導(dǎo)電溝道并出現(xiàn)漏極電流iD。從up前沿時刻到uGS=UT，且開始出現(xiàn)iD的時刻，這段時間稱為開通延時時間td(on)。此后，iD隨uGS

8、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uGSP這段時間，稱為上升時間tr。這樣Power MOSFET的開通時間ton=td(on)+tr      (2)Power MOSFET的關(guān)斷過程：當(dāng)up信號電壓下降到0時，柵極輸入電容上儲存的電荷通過電阻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，這段時間稱為關(guān)斷延時時間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uGS< SPAN>T時導(dǎo)電溝道消失，iD=0，這段時間稱

9、為下降時間tf。這樣Power MOSFET 的關(guān)斷時間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)時間。在輸入電容一定的情況下，可以通過降低驅(qū)動電路的內(nèi)阻RS來加快開關(guān)速度。電力場效應(yīng)管晶體管是壓控器件，在靜態(tài)時幾乎不輸入電流。但在開關(guān)過程中，需要對輸入電容進行充放電，故仍需要一定的驅(qū)動功率。工作速度越快，需要的驅(qū)動功率越大。分頁2、  動態(tài)參數(shù)（1） 極間電容Power MOSFET的3個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的輸入電容

10、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態(tài)特性還受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、電力場效應(yīng)管的安全工作區(qū)1、  正向

11、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；因為它通態(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IDM、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

12、工作區(qū)因電力場效應(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，有時還需定義轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)。器件在實際應(yīng)用中，安全工作區(qū)應(yīng)留有一定的富裕度。五、電力場效應(yīng)管的驅(qū)動和保護1、  電力場效應(yīng)管的驅(qū)動電路電力場效應(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)動電流。開通時，柵極電流可由下式計算：IGon=CiSSuGS/tr=(GGS+CGD)uGS/ t r

13、0;    (7)關(guān)斷時，柵極電流由下式計算：IGoff=CGDuDS/tf                       (8)式（7）是選取開通驅(qū)動元件的主要依據(jù)，式（8）是選取關(guān)斷驅(qū)動元件的主要依據(jù)。為了滿足對電力場效應(yīng)管驅(qū)動信號的要求，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。電力場效應(yīng)管的一種分立元件驅(qū)電路，如圖6所示

14、。電路由輸入光電隔離和信號放大兩部分組成。當(dāng)輸入信號ui 為0時，光電耦合器截止，運算放大器A輸出低電平，三極管V3導(dǎo)通，驅(qū)動電路約輸出負(fù)20V驅(qū)動電壓，使電力場效應(yīng)管關(guān)斷。當(dāng)輸入信號ui為正時，光耦導(dǎo)通，運放A輸出高電平，三極管V2導(dǎo)通，驅(qū)動電路約輸出正20V電壓，使電力場效應(yīng)管開通。分頁MOSFET的集成驅(qū)動電路種類很多，下面簡單介紹其中幾種：IR2130是美國生產(chǎn)的28引腳集成驅(qū)動電路，可以驅(qū)動電壓不高于600V電路中的MOSFET，內(nèi)含過電流、過電壓和欠電壓等保護，輸出可以直接驅(qū)動6個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。I

15、R2237/2137是美國生產(chǎn)的集成驅(qū)動電路，可以驅(qū)動600V及1200V線路的MOSFET。其保護性能和抑制電磁干擾能力更強，并具有軟啟動功能，采用三相柵極驅(qū)動器集成電路，能在線間短路及接地故障時，利用軟停機功能抑制短路造成過高峰值電壓。利用非飽和檢測技術(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，也不會出現(xiàn)過高的瞬變浪涌過電壓，同時配有多種集成電路保護功能。當(dāng)發(fā)生故障時，可以輸出故障信號。TLP250是日本生產(chǎn)的雙列直插8引腳集成驅(qū)動電路，內(nèi)含一個光發(fā)射二極管和一個集成光探測器，具有輸入、輸出隔離，開關(guān)時

16、間短，輸入電流小、輸出電流大等特點。適用于驅(qū)動MOSFET或IGBT。2、  電力場效應(yīng)管的保護措施電力場效應(yīng)管的絕緣層易被擊穿是它的致命弱點，柵源電壓一般不得超過±20V。因此，在應(yīng)用時必須采用相應(yīng)的保護措施。通常有以下幾種：（1） 防靜電擊穿電力場效應(yīng)管最大的優(yōu)點是有極高的輸入阻抗，因此在靜電較強的場合易被靜電擊穿。為此，應(yīng)注意：     儲存時，應(yīng)放在具有屏蔽性能的容器中，取用時工作人員要通過腕帶良好接地；     在器件接入電路時，工作臺和烙鐵必須良好接地，且烙鐵斷電焊接； &

17、#160;   測試器件時，儀器和工作臺都必須良好接地。（2） 防偶然性震蕩損壞當(dāng)輸入電路某些參數(shù)不合適時，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引起過大的電流沖擊，超過IDM極限值，此時必須采用快速保護電路使用器件迅速斷開主回路。電動自行車控制器MOSFET驅(qū)動電路的設(shè)計1、概述 電動自行車具有環(huán)保節(jié)能，價格合適，無噪聲，便利等特點，因此，電動自行車成為當(dāng)今社會人們主要的代步工具。與此同時，消費者和商家對整車的質(zhì)量及可靠性要求也越來越高，作為整車四

18、大件之一的電動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)動電路的設(shè)計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)動電路設(shè)計不當(dāng)，續(xù)流側(cè)MOSFET很容易損壞，因此本文就如何測量、分析與調(diào)整控制器的MOSFET驅(qū)動線路來提高MOSFET的可靠性作一些研究，以便能夠為設(shè)計人員在設(shè)計產(chǎn)品時作一些參考。 2、MOSFET開關(guān)過程及MOSFET參數(shù)模型 .1 MOSFET開通過程中的波形見圖1所示，其開通的過程可分為四個階段： 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、t

19、1t2：門極電壓Vgs由Vth上升至平臺電壓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)進入完全導(dǎo)通狀態(tài)。 MOSFET關(guān)斷時波形與開時再相反，在此不贅述。  2.2 MOSFET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

20、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，Ls一般要比Ld大。右圖為簡化的MOSFET參數(shù)模型。因此，我們在實際的開關(guān)應(yīng)用中應(yīng)特別注意寄生電容和引線電感對開關(guān)波形的影響，特別是在負(fù)載為電感性負(fù)載時更應(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)動電路 3.1 由分立器件組成的驅(qū)動電路（如圖3所示），驅(qū)動電路A當(dāng)HS為高電平時，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

21、，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，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，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，Q8、Q11導(dǎo)通，Q10關(guān)閉，驅(qū)動電路通過R11為下管Q9的柵極充電，使Q9導(dǎo)通。 D.當(dāng)LS為高電平時，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

22、和LS同時為高電平時，上管開通下管關(guān)閉。當(dāng)HS和LS同時為低電平時，上管關(guān)閉下管開通。在實際應(yīng)用中，為了避免上下管同時開通，HS和LS的邏輯要靠MCU或邏輯電路來保證2 半橋驅(qū)動芯片組成的驅(qū)動電路如圖4所示，工作原理如下：A當(dāng)HS和LS同時為高電平時，HO有驅(qū)動電壓輸出，使Q1開通。當(dāng)HS和LS同時為低電平時，LO有驅(qū)動電壓輸出，使Q2開通。 B電容C2與分立器件驅(qū)動電路里的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)時對驅(qū)動電路浮動電源部分的干擾，一般應(yīng)加上此電容。 3.3 兩種驅(qū)動線路的區(qū)別：    A兩種驅(qū)動電路

23、在開通時能提供基本相同的驅(qū)動電流驅(qū)動MOSFET開通，但在MOSFET關(guān)斷時，分立器件驅(qū)動電路因為有三極管放電，所以能提供更大的放電電流關(guān)閉MOSFET，而半橋驅(qū)動電路由于要經(jīng)過柵極電阻放電，所以放電電流相對較小，導(dǎo)致MOSFET關(guān)閉時間過長，開關(guān)損耗相應(yīng)增加。解決的辦法可以是在驅(qū)動電阻上反并聯(lián)一只二極管并增加一個放電的PNP三極管。 B分立器件驅(qū)動電路用的器件較多，可靠性相對沒有半橋芯片的驅(qū)動電路高。但前提條件是半橋驅(qū)動芯片的驅(qū)動電路要設(shè)計合理。4、MOSFET驅(qū)動線路的要求及參數(shù)的調(diào)整 4.1 門極電壓不能超過Vgs的最大值。在設(shè)計驅(qū)動線路時，應(yīng)考慮驅(qū)動電源電壓和線路的抗干擾性，

24、確保MOSFET在帶感性負(fù)載且工作在開關(guān)狀態(tài)時柵極電壓不超過Vgs的最大值。 4.2 為了能夠減少MOSFET的開關(guān)損耗，驅(qū)動線路應(yīng)能提供足夠大的驅(qū)動電流，使開通和關(guān)斷的時間盡可能短，同時，盡量減少門極電壓的高頻震蕩。如果要獲得同樣的RC時間常數(shù)，使用較小的驅(qū)動電阻和較大的電容可以獲得較好的驅(qū)動特性，但驅(qū)動線路的損耗同時也增加了。 圖5和圖6是實際應(yīng)用中的測試波形，從圖中我們可以看出：電容的增加使得開啟的時間變長，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，由于米勒平臺的振蕩減小，MOSFET在米勒平臺期間的損耗也會相應(yīng)4.3 延長MOSFET的開通時間可

25、以減小開通時的涌入電流。由于電機負(fù)載為感性負(fù)載，所以在PWM關(guān)斷時存在續(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的封裝電感和線路的雜散電感的存在，在MOSFET反向

26、恢復(fù)電流Irr突然關(guān)斷時，MOSFET（Q3）上的電壓Vds會出現(xiàn)振鈴（如圖8中CH2所示）。此振鈴的出現(xiàn)會導(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)計線路時應(yīng)考慮線路板布線：盡量縮短驅(qū)動線路與MOSFET之間的線跡長度；使大電流回路的銅箔走線盡量短且寬，必要時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如果以上兩種方法都不能很好地解決問題，我們可

27、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，因為Q1的米勒效應(yīng)和導(dǎo)通延遲的緣故，滿輸入電壓并不會立刻出現(xiàn)在Q3的漏極上。施加在Q3上的漏極電壓會感應(yīng)出一個通過其柵漏極間米勒電容Cgd（見圖2）進行耦合的電流。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)生一個壓降。該電壓將對Q3柵極上的柵源極間電容Cgs進行充電。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2.3V。另外，由于源極引線電感的

28、存在，在Q3內(nèi)的電流迅速減小時，會在Ls的兩端感應(yīng)出一個極性為上負(fù)下正的電壓，如圖9所示，此時加在DIE上的電壓Vgs（die）要大于在外部引腳上測量的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，則會造成上下管穿通，如果MOSFET不能承受此穿通電流，MOSFET就會損壞。 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)斷時的dv/dt和di/dt，使感應(yīng)電壓Cdv/dt和Lsdi/d

29、t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)通有一個好處：它能夠減小續(xù)流側(cè)MOSFET上的電壓尖峰和Vds振鈴（V=L×dIrr/dt；L：環(huán)路寄生電感），同時也減小了系統(tǒng)的EMI干擾。因此，在設(shè)計MOSFET驅(qū)動線路時，我們應(yīng)根據(jù)實際情況來權(quán)衡驅(qū)動參數(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

30、的耐壓（Vgs和Vds）、最大電流等參數(shù)，確保當(dāng)工作條件最惡劣時這些參數(shù)不要超過MOSFET的最大額定值。 B在線路設(shè)計階段，必須進行熱設(shè)計，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)時間，將開關(guān)損耗降到最低。有時為了進一步提高效率，降低溫升，還可采用同步整流。、電動車控制器的實現(xiàn)方式與組成部分：目前電動自行車用控制器，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)動電路，控制器件驅(qū)動電路，控制部件（轉(zhuǎn)把、閘把、電機霍耳等）信號采集單元與處理電路，

31、過流與欠壓等保護電路。 2、影響電動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）、電動自行車電機技術(shù)控制器內(nèi)部供電電源損壞； 3）、電動車控制器工作時斷時續(xù)； 4）、連接線磨損及接插件接觸不良或脫落引起控制信號丟失。針對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：電動自行車電機技術(shù)電機損壞引起的；功率器件本身的質(zhì)量差或選用等級不夠引起的；器件安裝或振動松動引起的；電機過載引起的；功率器件驅(qū)動電路損壞或參數(shù)設(shè)計不合理引起的。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

32、件短路；外部引線短路。C、電動自行車電機技術(shù)控制器工作起來時斷時續(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)計功耗大導(dǎo)致某些器件局部溫度過高而使器件本身進入保護狀態(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；對線材的保護不完備；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：了解電動車控制系統(tǒng)可能發(fā)生故障點以后，有針對性的可靠性設(shè)計就有了目標(biāo)。A、首先是功率器件的型號，品牌，產(chǎn)地與供應(yīng)商的選擇，然后對功率器件的篩選，以上兩點是提高功率器件可靠性前提。在此基礎(chǔ)上，對功率器件安裝工藝的設(shè)計和對功率器件驅(qū)動

33、電路的設(shè)計才有意義。對無刷電機控制器而言，一般上三路功率管的驅(qū)動比較復(fù)雜，目前大多數(shù)廠家采用專用驅(qū)動芯片驅(qū)動。專用驅(qū)動芯片的不足之處是價格較高，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、對于電動自行車電機技術(shù)控制器的內(nèi)部電源，為了防止電動車控制器內(nèi)部或外部短路對電源的損壞，同時也是出于對電動自行車電機技術(shù)電源自身的保護，可以把電源設(shè)計成獨立供電方式，這樣既可以防止局部電路（轉(zhuǎn)把，閘把、電機傳感器等）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

34、能力強，自身的功率損耗相當(dāng)?shù)停ú坏?.1W），這在提高控制器的整體效率，降低控制器的運行溫度方面有著線形穩(wěn)壓器無可比擬的優(yōu)點。C、要克服電動車控制器對溫度的敏感，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，在電動車控制器里，用于采樣電流信號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，降低控制器的運行溫

35、度，可以利用電機的轉(zhuǎn)整與電機電流的絕對對應(yīng)關(guān)系，通過檢測電動自行車電機技術(shù)電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速來檢測電機電流，從而達(dá)到控制電流的目的。D、由于電動車電氣系統(tǒng)信號的傳輸是用連接線束來完成的，出于提高電動車整車的可靠性和提高控制器本身的可靠性出發(fā)，對電動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?，電動車邊接線束與接插件要有完備的防護套，接插件一定要達(dá)到汽車級的接插要求，因為電動車的使用環(huán)境從某種意義上講，比汽車的使用環(huán)境還要惡劣。4、對于無刷電機控制器，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對控制系統(tǒng)完成相當(dāng)完善的與想當(dāng)靈活的保護，

36、這些保護功能可以有：過流保護、減流保護、低電流過載保護，電機換相信號錯誤保護以及在沒有過流的情況下電機堵轉(zhuǎn)直接保護等。電動車無刷控制器通過直接讀取各種控制信號，進行實時處理或保護，這種方法就可以大大提高無刷控制器的設(shè)計可靠性。電動自行車用電機控制器原理與維修（A）電動車用電機控制器近年來的發(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，電動車車速的控制已經(jīng)發(fā)展到“巡航鎖定”；驅(qū)動方面，有的同時具有電動性能和助力功能，如果轉(zhuǎn)換到助力狀態(tài)，借助鏈條張力測力器，或中軸扭力傳感器，只要用腳踏動腳蹬，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，讓您對控

37、制器有一個更全面的了解。 一、電動車控制器與保護功能 （一）控制器簡介 簡略地講控制器是由周邊器件和主芯片（或單片機）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，以及輔助單片機或?qū)Ｓ眉呻娐吠瓿煽刂七^程的器件；單片機也稱微控制器，是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號語言的譯碼器、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)通時間以控制電機轉(zhuǎn)速的驅(qū)動電路、輸入輸出端口等集成在一起，而構(gòu)成的計算機片。這就是電動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)計品質(zhì)、特性、所采用的微處理器的功能、功率

38、開關(guān)器件電路及周邊器件布局等，直接關(guān)系到整車的性能和運行狀態(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，有時也會在續(xù)駛能力上顯示出較大差別。 （二）控制器的型式 目前，電動自行車所采用的控制器電路原理基本相同或接近。 電動車有刷和無刷直流電機大都采用脈寬調(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

39、裝在車把上，控制器主體則隱藏在車體包廂或電動箱內(nèi)，不露在外面。這種方式使控制器與電源、電機間連線距離縮短，車體外觀顯得簡潔。 2、一體式 控制部分與顯示部分合為一體，裝在一個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）控制器的保護功能 保護功能是對控制器中換相功率管、電源免過放電，以及電動機在運行中，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，電路根據(jù)反饋信號采取的保護措施。電動自行車基本的保護功能和擴展功能如下： 1、制動斷電 電動自行

40、車車把上兩個鉗形制動手把均安裝有接點開關(guān)。當(dāng)制動時，開關(guān)被推押閉合或被斷開，而改變了原來的開關(guān)狀態(tài)。這個變化形成信號傳送到控制電路中，電路根據(jù)預(yù)設(shè)程序發(fā)出指令，立即切斷基極驅(qū)動電流，使功率截止，停止供電。因而，既保護了功率管本身，又保護了電動機，也防止了電源的浪費。 2、欠壓保護 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，計劃自己的行程。當(dāng)電源電壓已經(jīng)達(dá)到放終時，電壓取樣電阻將分流信息饋入比較器，保護電路即按預(yù)先設(shè)定的程序發(fā)出指令，切斷電流以保護電子器件和電源。 3、過流保護

41、60;電流超限對電機和電路一系列元器件都可能造成損傷，甚至燒毀，這是絕對應(yīng)當(dāng)避免的?？刂齐娐分?，必須具備這種過電流的保護功能，在過流時經(jīng)過一定的延時即切斷電流。 4、過載保護 過載保護和過電流保護是相同的，載重超限必然引起電流超限。電動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，或抱著試一下的心理故意超載。如果沒有這種保護功能，不一定在哪個環(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機運轉(zhuǎn)即變得無力，騎行者立即可以感覺到脈動異常；若繼續(xù)騎行，接著就燒毀第2個、第3個功率管。有兩相功率管不工作，電動機即停止運行，有刷電機

42、則失去控制功能。因此，由過載引起的過電流是很危險的。但只要有過電流保護，載重超限后電路自動切斷電源，因超載而引起的一系列后果都可以避免。 5、欠速保護 仍然屬于過流保護范疇，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 是助力型電動自行車獨有的設(shè)計控制程序。車速超過某一預(yù)定值時，電路停止供電不予助力。對電動型電動自行車而言，統(tǒng)一規(guī)定車速為20km/h，車用電動機在設(shè)計時，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。電動自行車只能在不超過這個速度狀態(tài)下運行。 控制器的位置不會影響到性能，主要視設(shè)計者的意圖。 但有幾項原則： （1）在運行操作允許時； （2）在整體

43、布置允許時； （3）在線路布設(shè)要求時； （4）在配套設(shè)施要求時電動自行車控制器系統(tǒng)構(gòu)架及其發(fā)展趨勢本文介紹了通用電動自行車控制器系統(tǒng)構(gòu)架和基本的工作原理。同時本文從功率MOSFET管驅(qū)動、電流檢測、PCB設(shè)計和整機的防護四個方面詳細(xì)的探討了進一步提高電動自行車控制器的可靠性的設(shè)計方法及其注意的細(xì)節(jié)。最后，給出了電動車控制器的電源電池，集成的功率元件模塊的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞：電動自行車 控制器 驅(qū)動 電流檢測電動自行車具有環(huán)保節(jié)能，價格合適，無噪聲，便利等特點，因此獲得越來越廣泛的應(yīng)用。常用的電動自行車通過控制器驅(qū)動電動車無刷直流電機，因此整個控制器的設(shè)計對于電動自

44、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)計過程中被電子工程師所忽略的技術(shù)問題，如電動車控制器的功率元件驅(qū)動、電流檢測延時響應(yīng)等，從而為電動自行車控制器的設(shè)計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) 無刷直流電機具有高轉(zhuǎn)矩、長壽命和低噪聲的特點，因此在電動自行車中獲得廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機控制要比有刷直流電機控制復(fù)雜，無刷直流電機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A相繞組的橋臂，Q3和Q4構(gòu)成無刷直流電機B

45、相繞組的橋臂，Q5和Q6構(gòu)成無刷直流電機C相繞組的橋臂。對于每個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和電流檢測電阻，然后回到電池負(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，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

46、流控制；如果上橋臂的功率MOSFET管關(guān)斷時，下橋臂的功率MOSFET管經(jīng)過一定的延時即后導(dǎo)通，這種控制方法為同步整流控制。同步整流控制時，下橋臂由功率MOSFET管導(dǎo)通續(xù)流，因此提高了系統(tǒng)的效率。 對于非同步整流控制，常用的控制IC為MC33035。對于同步整流控制，常用的控制MCU為PIC16F72，Cypress CY8C以及凌陽的單片機。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)動電路 目前無刷直流電機控制器的功率MOSFET管的驅(qū)動電路有兩種方案：集成的驅(qū)動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)動電

47、路。使用集成的驅(qū)動IC時，驅(qū)動電路設(shè)計相對的簡單，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)動電路，系統(tǒng)設(shè)計和調(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)動電路很難做到優(yōu)化的設(shè)計。 當(dāng)系統(tǒng)使用不同的功率MOSFET管時，驅(qū)動電路的相關(guān)參數(shù)必須進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在功率MOSFET管開通時，以得到合適的門極電壓隨時間上升的斜率，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為電流檢測電阻，Rs上的電流檢測電壓VRS送到圖2所示的電流檢測電路；電流檢測電路為運放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

48、自接地的電流檢測電阻的共模噪聲。電阻R4和電容C1組成RC濾波電路，抑制電流檢測信號的共差噪聲。2、電動自行車控制器設(shè)計中存在的問題 2.1 功率MOSFET管驅(qū)動 在圖1中，功率MOSFET管為AOS的AOT430，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，因此針對其應(yīng)用，驅(qū)動電路的設(shè)計要考慮到這些參數(shù)的影響。通常在電動自行車的應(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)動電路的參數(shù)以及一個橋臂上下管導(dǎo)通的間隔，在同步整流控制方式上，就可

49、以很好的控制開關(guān)管在關(guān)斷時DS上的電壓尖峰，同時保證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)的時間，從而增加了開通損耗。 2.2 電流檢測 通常電動車控制器發(fā)生故障是主功率MOSFET管的損壞，有時是一個橋臂的單個功率管燒壞，有時是整個橋臂的兩個功率MOSFET管同時燒壞。在起動以及堵轉(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，在起動過程中，由于CPU進行初始化需要一定的時間，CPU輸出的驅(qū)動信號的穩(wěn)定也需要一定的時間，那么在起動中就可能產(chǎn)生驅(qū)動的信號邏輯

50、關(guān)系不穩(wěn)定或混亂的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致一個橋臂上下管直通，而此時由于電流檢測電路的信號送到CPU時，CPU還來不及處理，從而損壞功率MOSFET。最好采用一定的上電時序電路，使CPU先上電，穩(wěn)定后才加功率電源。 堵轉(zhuǎn)是電動自行車最惡劣的工作狀態(tài)，此時也會發(fā)生一個橋臂上下管的直通。在實際應(yīng)用的過程中，盡管采用了由LM385組成的電流檢測電路，但是MOSFET仍然產(chǎn)生燒壞的現(xiàn)象，這表明電流檢測電路沒有可靠的工作。電流檢測電阻采用一定長度的康銅絲，考慮限流值的范圍，設(shè)計時電流檢測電阻必須以最大的限流值作為參考。另外電阻的精度也會影響電流檢測的精確度。電流取樣信號必須直接引自取樣電阻的兩端，以免影響電流檢測

51、的精度。另外檢測電阻兩個管腳的焊錫也會影響取樣電阻的電阻值，從而也會影響取樣電流的精度電流的取樣精度是系統(tǒng)進行可靠的電流保護的前提。在排除以上問題的前提下，還有一個十分重要的參數(shù)影響電流的取樣精度。在圖1中，使用了一個RC的濾波器濾除干擾噪聲，但這個RC的濾波器會對電流的取樣信號帶來延時，RC的值越大，延時也就越大，信號幅值的誤差也越大。LM358對輸入信號有一定的帶寬限制，放大倍數(shù)越大，信號的帶寬越窄。另外，CPU在接收到過流信號時，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，電流隨時間迅速增大，電流檢測電阻的電壓信號也隨時間迅速增加，當(dāng)CPU檢測到過流信號后輸出保護關(guān)斷脈沖前，各種延時使上下橋臂直通產(chǎn)生的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際設(shè)定的過流保護點，從而燒壞MOSFET管。尤其是在溫度升高時，LM358的帶寬進一步的降低，影響過流保護的響應(yīng)時間。 由此可證：減小RC值，提高CPU的工作頻率，使用高GBP的運算放大器或使用工業(yè)級的運放LM258，可以提高過流響應(yīng)的時間