選擇自鉗位MOSFET提高電動工具系統(tǒng)可靠性
電動工具由于其設計輕巧、動力強勁、使用方便等優(yōu)點,在各種場合得到了廣泛的應用。電動工具一般采用直流有刷電機配合電子無級調(diào)速電路實現(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工作方式來實現(xiàn)。由于電機的內(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關斷時由于高di/dt在線路引線電感上產(chǎn)生的高感應電壓,都對系統(tǒng)中的MOSFET的強壯性提出了很高的要求。本文就如何優(yōu)化開關波形以及如何選擇合適的MOSFET做一些分析。
驅動電路工作原理
圖1為電動工具及控制器的結構圖。圖中驅動電路通常由芯片555組成,工作頻率一般在10KHz以內(nèi),其工作過程如下所述。
圖1:電動工具及控制器的結構圖
(a) 電動工具; (b) 電動工具控制器電路示意圖
當MOSFET開通時,電流通過電池正極→線路引線電感→電機線圈→MOSFET→電池負極形成回路,電機線圈電流等于MOSFET中的電流,續(xù)流二極管截止。當MOSFET關斷時,電機線圈通過二極管D1續(xù)流,電機電流基本維持不變。但MOSFET和引線電感中的電流隨著MOSFET的關斷而迅速變?yōu)榱?,在線路引線電感中產(chǎn)生很大的感應電勢LW di/dt,其方向如圖1b中紅色箭頭所示。這樣的感應電勢與電池電壓疊加會產(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,將會導致系統(tǒng)可靠性大幅降低。通過調(diào)整MOSFET的PWM占空比可以在電機線圈中得到不同的平均電流,從而實現(xiàn)電機的無級調(diào)速。
圖2:電動工具中MOSFET的開關波形
(a) MOSFET的開關波形;(b) 開通波形; (c) 關斷波形
MOSFET的功耗計算
圖2為電動工具中MOSFET(AOT500)的開關波形。MOSFET的功率損耗由導通損耗和開關損耗組成,分別如下:
⑴ 導通損耗
其中,
⑵ 開關損耗
由于MOSFET開通時有相對較大的電機線圈電感存在,MOSFET由關斷狀態(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。關斷損耗如下:
其中:VCLAMP為MOSFET關斷時的鉗位電壓,E為電池電壓,LW為線路電感。
MOSFET的總損耗為:
MOSFET的極點溫度為:
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