中心議題：

•  電動工具控制器的工作原理
• 電動工具中MOSFET的功率損耗
• 線路引線電感對MOSFET開關(guān)波形的影響
• 自鉗位MOSFET的工作特性
• 在設(shè)計電動工具驅(qū)動電路時應(yīng)注意的問題

解決方案：

• 減小線路的寄生電感
• 提高M(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

引言

電動工具由于其設(shè)計輕巧、動力強(qiáng)勁、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在各種場合得到了廣泛的應(yīng)用。電動工具一般采用直流有刷電機(jī)配合電子無級調(diào)速電路實(shí)現(xiàn)，具有起動靈敏并可正反調(diào)速等功能，如手電鉆，電動起子等。無級調(diào)速電路一般采用PWM工作方式來實(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開通期間的峰值電流很大；在PWM關(guān)斷時由于高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)化開關(guān)波形以及如何選擇合適的MOSFET做一些分析。

1 電動工具電路及工作過程分析

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


當(dāng)MOSFET開通時，電流通過電池正極→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，電機(jī)線圈通過二極管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LWdi/dt，其方向如圖1b中紅色箭頭所示。這樣的感應(yīng)電勢與電池的電壓疊加會產(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MOSFET的擊穿電壓，系統(tǒng)的可靠性就會因此而大大降低。

通過調(diào)整MOSFET的PWM占空比就可以在電機(jī)的線圈中得到不同的平均電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速。

2 MOSFET的功耗計算

圖2為電動工具中MOSFET(AOT500)的開關(guān)波形。


MOSFET的功率損耗由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗組成，分別如下：

⑴ 導(dǎo)通損耗 ⑵ 開關(guān)損耗

由于MOSFET開通時有相對較大的電機(jī)線圈電感存在，MOSFET由關(guān)斷狀態(tài)到完全打開的過程中流過MOSFET的電流很小，所以開通損耗很小，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的極點(diǎn)溫度，TC為MOSFET的表面溫度，RTHJC為MOSFET的熱阻。

由上式可知，對于一個確定的系統(tǒng)來說，要想降低MOSFET的極點(diǎn)溫度，我們有以下幾種途徑：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)斷過程中，回路引線電感中的能量都將被MOSFET吸收。
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3 影響MOSFET可靠性的因素及MOSFET的選擇

從MOSFET應(yīng)用的角度，影響MOSFET可靠性的因素有以下幾方面：⑴ MOSFET的極點(diǎn)溫度，過高的極點(diǎn)溫度會影響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其雪崩擊穿電壓，則MOSFET也會提前失效。

因此，我們必須合理地設(shè)計電動工具電路且選擇適合電動工具應(yīng)用的MOSFET。

如果選擇自鉗位MOSFET，如AOT500，其采用先進(jìn)的TRANCH溝道工藝設(shè)計生產(chǎn)，導(dǎo)通電阻最大值僅5.3毫歐，且其帶有VDS電壓自鉗位功能，非常適合電動工具的應(yīng)用。


自鉗位MOSFET的漏柵極間集成了一齊納穩(wěn)壓管，如圖3所示。當(dāng)漏極電壓大于鉗位電壓時，漏柵極間齊納穩(wěn)壓管里會流過很小的電流，通過柵極電阻產(chǎn)生電壓降，當(dāng)電壓降大于MOSFET開啟電壓VTH時，MOSFET會打開并將漏極電壓鉗位，確保MOSFET不會處于雪崩狀態(tài)。圖4(a)和4(b)是分別使用非鉗位MOSFET和鉗位MOSFET在電動工具系統(tǒng)中所測得的波形，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，系統(tǒng)的可靠性大大提高。


圖5為AOT500在電動工具中的堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)時間對比，可以看出，AOT500能承受的堵轉(zhuǎn)時間比其它的電動工具常用的MOSFET要長很多，大大提高了電動工具的可靠性。


4 結(jié)論

⑴ 盡量減小線路的寄生電感，特別是引線電感，使MOSFET在關(guān)斷時吸收的能量最小；
⑵ 提高M(jìn)OSFET的關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗；
⑶ 選擇自鉗位MOSFET，提高系統(tǒng)的可靠性。