選擇自鉗位MOSFET提高電動(dòng)工具系統(tǒng)可靠性

    電動(dòng)工具由于其設(shè)計(jì)輕巧、動(dòng)力強(qiáng)勁、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在各種場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)工具一般采用直流有刷電機(jī)配合電子無(wú)級(jí)調(diào)速電路實(shí)現(xiàn)，具有起動(dòng)靈敏并可正反調(diào)速等功能，如手電鉆、電動(dòng)起子等。無(wú)級(jí)調(diào)速電路一般采用PWM工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于電機(jī)的內(nèi)阻較小，一般只有一百多毫歐，因此，在PWM開(kāi)通期間的峰值電流很大；在PWM關(guān)斷時(shí)由于高di/dt在線路引線電感上產(chǎn)生的高感應(yīng)電壓，都對(duì)系統(tǒng)中的MOSFET的強(qiáng)壯性提出了很高的要求。本文就如何優(yōu)化開(kāi)關(guān)波形以及如何選擇合適的MOSFET做一些分析。

驅(qū)動(dòng)電路工作原理 
圖1為電動(dòng)工具及控制器的結(jié)構(gòu)圖。圖中驅(qū)動(dòng)電路通常由芯片555組成，工作頻率一般在10KHz以內(nèi)，其工作過(guò)程如下所述。

 
圖1：電動(dòng)工具及控制器的結(jié)構(gòu)圖 
(a) 電動(dòng)工具； (b) 電動(dòng)工具控制器電路示意圖

      當(dāng)MOSFET開(kāi)通時(shí)，電流通過(guò)電池正極→線路引線電感→電機(jī)線圈→MOSFET→電池負(fù)極形成回路，電機(jī)線圈電流等于MOSFET中的電流，續(xù)流二極管截止。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，電機(jī)線圈通過(guò)二極管D1續(xù)流，電機(jī)電流基本維持不變。但MOSFET和引線電感中的電流隨著MOSFET的關(guān)斷而迅速變?yōu)榱悖诰€路引線電感中產(chǎn)生很大的感應(yīng)電勢(shì)LW di/dt，其方向如圖1b中紅色箭頭所示。這樣的感應(yīng)電勢(shì)與電池電壓疊加會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，如圖2中的紅色部分。如果這些尖峰電壓超過(guò)MOSFET的擊穿電壓，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性大幅降低。通過(guò)調(diào)整MOSFET的PWM占空比可以在電機(jī)線圈中得到不同的平均電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。

  
圖2：電動(dòng)工具中MOSFET的開(kāi)關(guān)波形 
(a) MOSFET的開(kāi)關(guān)波形；(b) 開(kāi)通波形； (c) 關(guān)斷波形

MOSFET的功耗計(jì)算 

圖2為電動(dòng)工具中MOSFET(AOT500)的開(kāi)關(guān)波形。MOSFET的功率損耗由導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗組成，分別如下： 

⑴ 導(dǎo)通損耗

其中，D=Ton/T 

⑵ 開(kāi)關(guān)損耗 

由于MOSFET開(kāi)通時(shí)有相對(duì)較大的電機(jī)線圈電感存在，MOSFET由關(guān)斷狀態(tài)到完全打開(kāi)的過(guò)程中流過(guò)MOSFET的電流很小，所以開(kāi)通損耗很小，可以忽略。關(guān)斷損耗如下：

其中：VCLAMP為MOSFET關(guān)斷時(shí)的鉗位電壓，E為電池電壓，LW為線路電感。 

MOSFET的總損耗為：

MOSFET的極點(diǎn)溫度為：

其中: TJ 為MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫度，TC為MOSFET的表面溫度， 
R_THJC為MOSFET的熱阻。 

由上式可知，對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要想降低MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫度，有以下幾種途徑：⑴ 選擇具有較低RDS(ON)和較低RTHJC的MOSFET。⑵ 設(shè)置合適的MOSFET關(guān)斷速度，盡量使開(kāi)關(guān)損耗最小。⑶ 盡量減小主回路的引線電感。因?yàn)樵诿恳淮侮P(guān)斷過(guò)程中，回路引線電感中的能量都將被MOSFET吸收。 

MOSFET的選擇要點(diǎn) 

從應(yīng)用角度看，影響MOSFET可靠性的因素主要有以下幾方面：⑴ MOSFET的結(jié)點(diǎn)溫度，過(guò)高的結(jié)點(diǎn)溫度會(huì)影響MOSFET的可靠性，使MOSFET提前失效。⑵ MOSFET漏極上的電壓尖峰如果超過(guò)其雪崩擊穿電壓，則MOSFET也會(huì)提前失效。因此，我們必須選擇合適的MOSFET設(shè)計(jì)電動(dòng)工具驅(qū)動(dòng)電路。例如，自鉗位MOSFET - AOT500，其采用先進(jìn)的溝道(Trench)工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)，導(dǎo)通電阻最大值僅為5.3毫歐，且其帶有VDS電壓自鉗位功能，非常適合電動(dòng)工具設(shè)計(jì)應(yīng)用。

  
圖3：自鉗位MOSFET 
(a) AOT500外觀圖； (b) AOT500內(nèi)部結(jié)構(gòu)

自鉗位MOSFET的漏柵極間集成了一只齊納二極管，如圖3所示。當(dāng)漏極電壓大于鉗位電壓時(shí)，漏柵極間穩(wěn)壓二極管里會(huì)流過(guò)很小的電流，通過(guò)柵極電阻產(chǎn)生電壓降，當(dāng)電壓降大于MOSFET開(kāi)啟電壓VTH時(shí)，MOSFET會(huì)打開(kāi)并將漏極電壓鉗位，確保MOSFET不會(huì)處于雪崩狀態(tài)。圖4(a)和4(b)是分別使用非鉗位MOSFET和鉗位MOSFET在電動(dòng)工具系統(tǒng)中所測(cè)得的波形，如果使用非鉗位MOSFET，則最高點(diǎn)壓可達(dá)72V，MOSFET有可能處于雪崩狀態(tài)，這種情況下最好使用高耐壓的MOSFET。使用AOT500則電壓被鉗位在40V，系統(tǒng)中的尖峰明顯減少，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

 
圖4： MOSFET的VDS波形 
(a) 使用非鉗位MOSFET； (b) 使用鉗位MOSFET

從AOT500在電動(dòng)工具中的堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)間對(duì)比可以看出，AOT500能承受的堵轉(zhuǎn)時(shí)間比其它的電動(dòng)工具常用的MOSFET要長(zhǎng)很多，因而大幅提高了電動(dòng)工具的可靠性。 

綜上所述，在采用MOSFET設(shè)計(jì)電動(dòng)工具時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：盡量減小線路的寄生電感，特別是引線電感，使MOSFET在關(guān)斷時(shí)吸收的能量最?。惶岣進(jìn)OSFET的關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗；選擇自鉗位MOSFET，提高系統(tǒng)的可靠性。