电动车无刷电机控制器热设计

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1、.电动车无刷电机控制器热设计摘 要：本文介绍了电动自行车无刷电机控制器的热设计。其中包括控制器工作原理的介绍、MOSFET功率损耗的计算、热模型的分析、稳态温升的计算、导热材料的选择、热仿真等。 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。   

2、  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

3、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

4、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

5、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）

6、×（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

7、，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）...图6 热阻模型    ...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