关于如何确定电动车控制器“短路保护时间”的探讨

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随着电动车市场竞争的日益激烈，消费者和商家对整车的质量及可靠性要求越来越高。与此同时，作为整车四大件之一的控制器的技术也不断成熟，可靠性也越来越高，质量已进入一个相对稳定的时期。由于在控制器的生产和使用过程中不可避免地会遇到相线短路的情况，如电机的线圈短路就会直接导致控制器的相线短路。因此，必须设计短路保护功能以提高控制器的可靠性。在实际应用中，许多工程师面往往忽略了短路保护时间设计的问题，因此本文就如何确定短路保护时间作一些探讨，以便能够为设计人员在设计产品时作一些参考。
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45μs的大电流短路，而图2b中的MOSFET不能承受45μs的大电流短路，当脉冲45μs关断后，Vds回升，由于温度过高，仅经过10μs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。
合理计算保护时间
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。

图1

图 2

短路保护时间计算步骤：
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。
一般来说，一只控制器输出功率为350W时，并且采用同步整流技术，续流侧MOSFET的耗散功率为20W左右，即P=20W。同时我们假设MOSFET工作时的表面温度Tc为100℃(炎热的夏季MOSFET的表面温度一般都会达到此值)，则： Tj = Tc+P×Rth(jc) = 100+20×0.45 = 109℃。
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 = 10,000W
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
由上式变形可得: Zθjc = Trising÷(P×Rθjc)
代入数据得：Zθjc = 66÷(10,000×0.45)= 0.015
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20μs。

图3
设计短路保护应注意的几个问题：
①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。
②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。
③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。
④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。
⑤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。
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。

图4：智能无刷控制器功能图。

作者：葛小荣
高级应用工程师
万代半导体元件(上海)有限公司