选择自钳位MOSFET提高电动工具系统可靠性

迈肯思工控
发布时间:2019-11-27

电动工具由于其设计轻巧、动力强劲、使用方便等优点,在各种场合得到了广泛的应用。电动工具一般采用直流有刷电机配合电子无级调速电路实现,具有起动灵敏并可正反调速等功能,如手电钻、电动起子等。无级调速电路一般采用PWM工作方式来实现。由于电机的内阻较小,一般只有一百多毫欧,因此,在PWM开通期间的峰值电流很大;在PWM关断时由于高di/dt在线路引线电感上产生的高感应电压,都对系统中的MOSFET的强壮性提出了很高的要求。本文就如何优化开关波形以及如何选择合适的MOSFET做一些分析。
  

驱动电路工作原理


图1为电动工具及控制器的结构图。图中驱动电路通常由芯片555组成,工作频率一般在10KHz以内,其工作过程如下所述。


图1:电动工具及控制器的结构图

(a) 电动工具; (b) 电动工具控制器电路示意图


当MOSFET开通时,电流通过电池正极→线路引线电感→电机线圈→MOSFET→电池负极形成回路,电机线圈电流等于MOSFET中的电流,续流二极管截止。当MOSFET关断时,电机线圈通过二极管D1续流,电机电流基本维持不变。但MOSFET和引线电感中的电流随着MOSFET的关断而迅速变为零,在线路引线电感中产生很大的感应电势LW di/dt,其方向如图1b中红色箭头所示。这样的感应电势与电池电压叠加会产生很高的尖峰电压,如图2中的红色部分。如果这些尖峰电压超过MOSFET的击穿电压,将会导致系统可靠性大幅降低。通过调整MOSFET的PWM占空比可以在电机线圈中得到不同的平均电流,从而实现电机的无级调速。

 

图2:电动工具中MOSFET的开关波形

(a) MOSFET的开关波形;(b) 开通波形; (c) 关断波形 

  

MOSFET的功耗计算


图2为电动工具中MOSFET(AOT500)的开关波形。MOSFET的功率损耗由导通损耗和开关损耗组成,分别如下:


⑴ 导通损耗

        

其中,

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