关键词：电动自行车 控制器 MOSFET热设计
1. 引言
由于功率MOSFET具有驱动电流小、开关速度快等优点，已经被广泛地应用在电动车的控制器里。但是如果设计和使用不当，会经常损坏MOSFET，而且一旦损坏后MOSFET的漏源极短路，晶圆通常会被烧得很严重，大部分用户无法准确分析造成MOSFET损坏的原因。所以在设计阶段，有关MOSFET的可靠性设计是致关重要的。
MOSFET通常的损坏模式包括：过流、过压、雪崩击穿、超出安全工作区等。但这些原因导致的损坏最终都是因为晶圆温度过高而损坏，所以在设计控制器时，热设计是非常重要的。MOSFET的结点温度必须经过计算，确保在使用过程中MOSFET结点温度不会超过其最大允许值。
2. 无刷电机控制器简介
由于无刷电机具有高扭矩、长寿命、低噪声等优点，已在各领域中得到了广泛应用，其工作原理也已被大家广为熟知，这里不再详述。国内电动车电机控制器通常工作方式为三相六步，功率级原理图如图1所示，其中Q1, Q2为A相上管及下管；Q3, Q4为B相上管及下管；Q5, Q6为C相上管及下管。MOSFET全部使用AOT430。 MOSFET工作在两两导通方式，导通顺序为Q1Q4→Q1Q6→Q3Q6→Q3Q2→Q5Q2→Q5Q4→Q1Q4，控制器的输出通过调整上桥PWM脉宽实现，PWM频率一般设置为18KHz以上。
当电机及控制器工作在某一相时（假设B相上管Q3和C相下管Q6），在每一个PWM周期内，有两种工作状态：
状态1: Q3和Q6导通, 电流I1经Q3、电机线圈L、Q6、电流检测电阻Rs流入地。
状态2: Q3关断, Q6导通, 电流I2流经电机线圈L、Q6、Q4，
此状态称为续流状态。在状态2中，如果Q4导通，则称控制器为同步整流方式。如果Q4关断，I2靠Q4体二极管流通，则称为非同步整流工作方式。
流经电机线圈L的电流I1和I2之和称为控制器相电流，流经电流检测电阻Rs的平均电流I1称为控制器的线电流，所以控制器的相电流要比控制器的线电流要大。
3. 功耗计算
控制器MOSFET的功率损耗随着电机负载的加大而增加，当电机堵转时，控制器的MOSFET损耗达到最大（假设控制器为全输出时）。为了分析方便，我们假设电机堵转时B相上管工作在PWM模式下，C相下管一直导通，B相下管为同步整流工作方式（见图1）。电机堵转时的波形如图2-图5所示。
功率损耗计算如下：
3.1 B相上管功率损耗：
3.1.1 B相上管开通损耗（t1-t2），见图2;
3.1.2 B相上管关断损耗（t3-t4），见图3;
3.1.3 B相上管导通损耗（t5-t6），见图4;
B 相上管总损耗：
Phs（Bphase）=Phs（turn on）+Phs（turn off）+Phs（on）=5.1+3.75+7.5=16.35W
3.2 B相下管功率损耗：
3.2.1 B相下管续流损耗（t7-t8），见图5;
PLS（Bphase）=PLS（freewheel）=I2×Rds（on）×（1-D）=402×0.015×（1-20/64）=16.5 W
3.3 C相下管功率损耗
因为C相下管一直导通，所以功率损耗计算如下：
PLS（Cphase）=PLS （on） = I2×Rds（on） = 402×0.015 = 24 W
控制器的功率管总损耗为：
Ptatal=PHS（Bphase）+PLS（Bphase）+PLS（Cphase）=16.35+16.5+24=56.85
4. 热模型
图5为TO-220典型的安装结构及热模型。热阻与电阻相似,所以我们可以将Rth（ja）看着几个小的电阻串联，从而有如下公式：
Rth（ja） = Rth（jc） + Rth（ch） + Rth（ha）
其中：
Rth（jc）——- 结点至MOSFET表面的热阻
Rth（ch）——-MOSFET表面至散热器的热阻
Rth（ha）——-散热器至环境的热阻 （与散热器的安装方式有关）
通常热量从结点至散热器是通过传导方式进行的，从散热器至环境是通过传导和对流方式。Rth（jc）是由器件决定的,所以对一个系统，如果MOSFET已确定，为了获得较小的热阻我们可以选择较好的热传导材料并且将MOSFET很好地安装在散热器上。
5. 稳态温升的计算
从AOT430的数据手册我们可以获得如下参数：
Tjmax=175℃ Rth（jc）max = 0.56 ℃/W
5.1 电机运行时MOSFET结点至其表面的温升计算（因为电机在运行时，上管和下管只有三分之一的时间工作，所以平均功率应除以3）：
5.1.1上管结点至功率管表面的稳态温升
5.1.2下管结点至功率管表面的稳态温升
5.2 电机堵转时MOSFET结点至其表面的温升计算
5.2.1 B相上管结点至功率管表面的稳态温升
Tjc=Tj-Tc=Phs×Rth（jc）=16.35×0.56=9.2℃
5.2.2 B相下管结点至功率管表面的稳态温升
Tjc=Tj-Tc=Pls×Rth（jc）=16.5×0.56=9.24℃
5.2.3 C相下管结点至功率管表面的稳态温升
Tjc=Tj-Tc=PLS（Cphase）×Rth（jc）=24×0.56=13.44℃
由以上计算可知，在电机堵转时控制器中一直导通的MOSFET（下管）的温升最大，在设计时应重点考虑电机堵转时的MOSFET温升。
6. 选择合适的导热材料
图7为SilPad系列导热材料对TO-220封装的导热性能随压力变化的曲线。
6.1 导热材料为SilPad-400，压力为200psi时，其热阻Rth（ch）为4.64 ℃/W。
则：Tch=Tc-Th= PLS×Rth（ch）=24×4.64=111℃
6.2 导热材料为SilPad-900S，压力为200psi时，其热阻Rth（ch）为2.25℃/W。
则：Tch=Tc-Th= PLS×Rth（ch）=24×2.25=54℃
可见，不同的导热材料对温升的影响很大，为了降低MOSFET的结点温升，我们可以选择较好的热传导材料来获得较好的热传导性能，从而达到我们的设计目标。
为了使控制器更加可靠，通常我们将MOSFET表面温度控制在100℃以下，这是因为在使用中还会有其他高能量的脉冲出现，譬如，电机相线短路，负载突然变大等。
7．热仿真：
由于在实际应用中我们很难确定散热器表面至环境的热阻，要想完全通过计算来进行热设计是比较困难得，因此我们可以借助热仿真软件来进行仿真，从而达到我们设计的目的。
仿真条件：Ptotal=56.85W、Ta=45℃、控制器散热器尺寸：70mm×110mm×30mm 、自然风冷，MOSFET安装如图8所示。
7.1 电机运行时控制器的热仿真
由图9可见，下管的温升明显高于上管的温升。
7.2 电机堵转时控制器的热仿真
由图10可知，堵转时一直导通的下管最热，温度已接近150℃。由图11可知，在堵转100秒后MOSFET的温升还未稳定，如果一直堵转，必将烧坏MOSFET。因此，如果使用仿真中的散热器尺寸，就不能一直堵转，必须采取相应的保护措施。我们可以采用间隙保护的方法，即当电机堵转时，堵转一段时间，保护一段时间，让MOSFET的温度不超过最大结点温度。图12所示为堵转1.5s，保护1.5s的瞬态温升示意图，由图可知，采用这种方法可以有效地保护MOSFET。
结语: 控制器的热设计在产品的设计阶段是非常重要的，我们必须经过功耗的计算、热模型的分析、热仿真等来计算温升，同时在设计时应考虑最严酷的应用环境，最后还要通过实际试验来验证我们热设计的正确性。
