電動(dòng)車控制器場(chǎng)效應(yīng)管

1、MOS在控制器電路中的工作狀態(tài)

開通過(guò)程、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過(guò)程、截止?fàn)顟B(tài)、擊穿狀態(tài)。  

MOS主要損耗包括開關(guān)損耗（開通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程），導(dǎo)通損耗，截止損耗（漏電流引起的，這個(gè)忽略不計(jì)），還有雪崩能量損耗。電動(dòng)車控制器場(chǎng)效應(yīng)管只要把這些損耗控制在MOS承受規(guī)格之內(nèi)，MOS即會(huì)正常工作，超出承受范圍，即發(fā)生損壞。

而開關(guān)損耗往往大于導(dǎo)通狀態(tài)損耗，尤其是PWM沒完全打開，處于脈寬調(diào)制狀態(tài)時(shí)（對(duì)應(yīng)電動(dòng)車的起步加速狀態(tài)），而最高急速狀態(tài)往往是導(dǎo)通損耗為主。

2、 MOS管在電動(dòng)車控制器中的作用

電動(dòng)車控制器場(chǎng)效應(yīng)管簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)電機(jī)是靠MOS的輸出電流來(lái)驅(qū)動(dòng)的，輸出電流越大（為了防止過(guò)流燒壞MOS管，控制器有限流保護(hù)），電機(jī)扭矩就強(qiáng)，加速就有力。

3、MOS損壞主要原因

過(guò)流，大電流引起的高溫?fù)p壞（分持續(xù)大電流和瞬間超大電流脈沖導(dǎo)致結(jié)溫超過(guò)承受值）；過(guò)壓，源漏級(jí)大于擊穿電壓而擊穿；柵極擊穿，一般由于柵極電壓受外界或驅(qū)動(dòng)電路損壞超過(guò)允許最高電壓（柵極電壓一般需低于20v安全）以及靜電損壞。

4、MOS在電動(dòng)車控制器中的應(yīng)用

我們電動(dòng)車控制器場(chǎng)效應(yīng)管和平常cmos集成電路中的小功率mos結(jié)構(gòu)是不一樣的。小功率mos是平面型結(jié)構(gòu)。而電動(dòng)車上上用的功率mos是立體結(jié)構(gòu)。平面型結(jié)構(gòu)是指，mos柵極，源級(jí)和漏級(jí)都在芯片表面（或者說(shuō)正面），而溝道也在芯片表面橫向排列。（我們常見的教科書的介紹mos原理一般都是拿平面結(jié)構(gòu)介紹）。而功率mos的立體結(jié)構(gòu)（溝道是深槽立體結(jié)構(gòu)）是柵極和源級(jí)引線從芯片正面引出（其實(shí)柵極也不在表面而是內(nèi)部，只是比較靠近表面），而漏級(jí)是從芯片背面引出（其實(shí)整個(gè)芯片背面都是漏級(jí)連接在一起的，整個(gè)個(gè)漏級(jí)用焊接材料直接焊接在金屬板上，就是mos的金屬背板，一般是銅鍍錫的），所以我們見到的mos一般金屬板和中間引腳（就是漏級(jí)）是完全導(dǎo)通的（有些特殊的封裝是可以做到金屬板和中間腳絕緣的）。

功率mos內(nèi)部從漏級(jí)到源級(jí)是有一個(gè)二極管的，這個(gè)二極管基本上所有的功率mos都具有，和它本身結(jié)構(gòu)有關(guān)系（不需要單獨(dú)制造，設(shè)計(jì)本身就有）。當(dāng)然可以通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)制造工藝，不造出這個(gè)二極管。但是這會(huì)影響芯片功率密度，要做到同樣耐壓和內(nèi)阻，需要更大的芯片面積（因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同）。大家只是知道這回事就行了。

我們所見的電動(dòng)車控制器場(chǎng)效應(yīng)管，其實(shí)內(nèi)部由成千上萬(wàn)個(gè)小mos管并聯(lián)而成（實(shí)際數(shù)量一般是上千萬(wàn)個(gè)，和芯片面積和工藝有關(guān)）。如果在工作中，有一個(gè)或幾個(gè)小管短路，則整個(gè)mos表現(xiàn)為短路，當(dāng)然大電流短路mos可能直接燒斷了（有時(shí)表現(xiàn)為金屬板和黑色塑封間開裂），又表現(xiàn)為開路。大家可能會(huì)想這上千萬(wàn)個(gè)小mos應(yīng)該很容易出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)壞的吧，其實(shí)真沒那么容易，目前的制造工藝基本保證了這些小單位各種參數(shù)高度一致性。它們的各種開關(guān)動(dòng)作幾乎完全一致，當(dāng)然最終燒壞時(shí)，肯定有先承受不了的小管先壞。所以管子的穩(wěn)定性和制造工藝密不可分，差的工藝可能導(dǎo)致這些小管的參數(shù)不那么一致。有時(shí)一點(diǎn)小的工藝缺陷（比如一個(gè)1um甚至更小的顆粒如果在關(guān)鍵位置）往往會(huì)造成整個(gè)芯片（缺陷所在的管芯）報(bào)廢。

5、MOS管的開關(guān)原理

MOS是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，只要柵極G和源級(jí)S間給一個(gè)適當(dāng)電壓，源級(jí)S和漏級(jí)D間導(dǎo)電通路就形成。這個(gè)電流通路的電阻被成為MOS內(nèi)阻，也就是導(dǎo)通電阻。這個(gè)內(nèi)阻大小基本決定了MOS芯片能承受的最大導(dǎo)通電流（當(dāng)然和其它因素有關(guān)，最有關(guān)的是熱阻）。內(nèi)阻越小承受電流越大（因?yàn)榘l(fā)熱?。?。MOS問(wèn)題遠(yuǎn)沒這么簡(jiǎn)單，麻煩在它的柵極和源級(jí)間，源級(jí)和漏級(jí)間，柵極和漏級(jí)間內(nèi)部都有等效電容。所以給柵極電壓的過(guò)程就是給電容充電的過(guò)程（電容電壓不能突變），所以MOS源級(jí)和漏級(jí)間由截止到導(dǎo)通的開通過(guò)程受柵極電容的充電過(guò)程制約。關(guān)斷過(guò)程和這個(gè)相反。

電動(dòng)車控制器場(chǎng)效應(yīng)管主要就是玩怎么最優(yōu)控制它的柵極。但是MOS內(nèi)部這三個(gè)等效電容是構(gòu)成串并聯(lián)組合關(guān)系，它們相互影響，并不是獨(dú)立的，如果獨(dú)立的就很簡(jiǎn)單了。其中一個(gè)關(guān)鍵電容就是柵極和漏級(jí)間的電容Cgd，這個(gè)電容業(yè)界稱為米勒電容。這個(gè)電容不是恒定的，隨柵極和漏級(jí)間電壓變化而迅速變化。這個(gè)米勒電容是柵極和源級(jí)電容充電的絆腳石，因?yàn)檫_(dá)到一個(gè)平臺(tái)后，柵極的充電電流必須給米勒電容充電，這時(shí)柵極和源級(jí)間電壓不再升高，達(dá)到一個(gè)平臺(tái)，這個(gè)是米勒平臺(tái)（米勒平臺(tái)就是給Cgd充電的過(guò)程），米勒平臺(tái)大家首先想到的麻煩就是米勒振蕩。

因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候源級(jí)和漏級(jí)間電壓迅速變化，內(nèi)部電容相應(yīng)迅速充放電，這些電流脈沖會(huì)導(dǎo)致MOS寄生電感產(chǎn)生很大感抗，這里面就有電容，電感，電阻組成震蕩電路（能形成2個(gè)回路），并且電流脈沖越強(qiáng)頻率越高震蕩幅度越大。所以最頭疼的就是這個(gè)米勒平臺(tái)如何過(guò)渡。

如果開關(guān)速度很快，這個(gè)電流變化率很高，振幅加大并震蕩延時(shí)（柵極電壓震蕩劇烈會(huì)影響柵極電容的充電速度，內(nèi)部表現(xiàn)是電容一會(huì)充電，一會(huì)放電）。所以干脆開關(guān)慢點(diǎn)（就是柵極電容慢慢充電，用小電流充電），這樣震蕩是明顯減輕了，但是開關(guān)損耗增大了。MOS開通過(guò)程源級(jí)和漏級(jí)間等效電阻相當(dāng)于從無(wú)窮大電阻到阻值很小的導(dǎo)通內(nèi)阻（導(dǎo)通內(nèi)阻一般低壓mos只有幾毫歐姆）的一個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程。比如一個(gè)MOS最大電流100A，電池電壓96V，在開通過(guò)程中，有那么一瞬間（剛進(jìn)入米勒平臺(tái)時(shí)）MOS發(fā)熱功率是96*100=9600w！這時(shí)它發(fā)熱功率最大，然后發(fā)熱功率迅速降低直到完全導(dǎo)通時(shí)功率變成100*100*0.003=30w（這里假設(shè)這個(gè)mos導(dǎo)通內(nèi)阻3毫歐姆）。開關(guān)過(guò)程中這個(gè)發(fā)熱功率變化是驚人的。

如果開通時(shí)間慢，意味著發(fā)熱從9600w到30w過(guò)渡的慢，MOS結(jié)溫會(huì)升高的厲害。所以開關(guān)越慢，結(jié)溫越高，容易燒MOS。為了不燒MOS，只能降低MOS限流或者降低電池電壓，比如給它限制50a或電壓降低一半成48v，這樣開關(guān)發(fā)熱損耗也降低了一半。不燒管子了。這也是高壓控容易燒管子原因，高壓控制器和低壓的只有開關(guān)損耗不一樣（開關(guān)損耗和電池端電壓基本成正比，假設(shè)限流一樣），導(dǎo)通損耗完全受mos內(nèi)阻決定，和電池電壓沒任何關(guān)系。我這里說(shuō)的不一定每個(gè)人都需要很懂，大概能知道點(diǎn)就好了，做控制器設(shè)計(jì)的應(yīng)該能理解。

其實(shí)整個(gè)mos開通過(guò)程非常復(fù)雜。里面變量太多?？傊褪情_關(guān)慢不容易米勒震蕩，但開關(guān)損耗大，管子發(fā)熱大，開關(guān)速度快理論上開關(guān)損耗低（只要能有效抑制米勒震蕩），但是往往米勒震蕩很厲害（如果米勒震蕩很嚴(yán)重，可能在米勒平臺(tái)就燒管子了），反而開關(guān)損耗也大，并且上臂mos震蕩更有可能引起下臂mos誤導(dǎo)通，形成上下臂短路。所以這個(gè)很考驗(yàn)設(shè)計(jì)師的驅(qū)動(dòng)電路布線和主回路布線技能。最終就是找個(gè)平衡點(diǎn)（一般開通過(guò)程不超過(guò)1us）。開通損耗這個(gè)最簡(jiǎn)單，只和導(dǎo)通電阻成正比，想大電流低損耗找內(nèi)阻低的。

6、Mos封裝

不同封裝方式則內(nèi)部寄生電感差異很大。電動(dòng)車上常用的小管（TO-220封裝）和大管（TO-247封裝）封裝電感都挺大，但是之所以它們用量很高，是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)比較容易（大功率下散熱是非常重要的）。一般大管封裝電感是大于小管的。在控制器設(shè)計(jì)時(shí)，mos封裝寄生電感需要考慮，但也許無(wú)法解決，不過(guò)外部布線電感則必須設(shè)計(jì)合理，尤其是多管并聯(lián)時(shí)做到均勻分配。

大管和小管的優(yōu)缺點(diǎn)比較（只這兩種比）。大管優(yōu)點(diǎn)，金屬背板面積大所以散熱好做，封裝電阻低（引線粗），所以封裝電流可以做到很大（可以200a左右）。大管缺點(diǎn)，占地方大（這個(gè)很明顯），封裝電感稍大。小管優(yōu)點(diǎn)，占地方小，封裝電感稍小。小管缺點(diǎn)，封裝電阻大（引線細(xì)），封裝電流較?。ㄒ话?20a以下），金屬板面積小散熱較弱。（封裝電流和芯片過(guò)流能力是兩個(gè)完全不同的概念，有的廠家規(guī)格書標(biāo)芯片過(guò)流能力，而有的廠家是這兩個(gè)電流哪個(gè)小標(biāo)哪個(gè)。因?yàn)樾〉臎Q定了整個(gè)管子的電流能力。

大管和小管簡(jiǎn)單誤區(qū)及說(shuō)明。千萬(wàn)不要認(rèn)為大管的芯片面積一定大于小管的。有些芯片本來(lái)就有不同的封裝方式，比如分別用小管和大管封裝，其實(shí)它們的芯片面積一樣大，大管封裝只是為了散熱更好些或封裝電流更大些。所以大管封裝里面芯片面積可大可小，同樣小管封裝里面芯片面積也可大可小。不過(guò)大管封裝能容納的最大芯片面積大概是小管封裝的2倍（甚至多點(diǎn)）。舉例說(shuō)明，irfb4110用小管封裝，芯片已經(jīng)把小管內(nèi)部填滿了，面積再大小管放不進(jìn)了，而為了得到更低內(nèi)阻管子，所以有大管irfp4468，這個(gè)芯片面積比irfb4110大了一倍，所以它的內(nèi)阻低了一半，各種電容大了一倍。所以一個(gè)4468的芯片成本是4110的2倍（同樣大管封裝成本也比小管高）。所以4468比4110貴了差不多一倍（相當(dāng)于把兩個(gè)4110封裝在一起的等效效果）。

7、電瓶車控制器MOS管測(cè)量方法

簡(jiǎn)單教大家一測(cè)量控制器方法：控制器有6路MOS管，一般控制器壞都是燒MOS管，如何在不打開外殼的情況下確定MOS管是否燒壞，方法如下：

1?？刂破魇裁淳€也不要接，取下來(lái)。

2 萬(wàn)用表拔到二極管檔，一般在通斷檔上。

3、任意MOS管內(nèi)部都有一個(gè)二極管，如果MOS管燒了，那二極管肯定燒，所以，量MOS管的二極管好壞就確定了MOS管好壞。按下面的步驟測(cè)量二極管，萬(wàn)用表上穩(wěn)定顯示0.37~0.44V左右電壓，說(shuō)明這路MOS管好的，如果顯示0V電壓，說(shuō)明這路MOS管擊穿；如果顯示0.7V以上電壓，說(shuō)明這路MOS管擊斷。

4.控制器部分的上臂三相的MOS管，黑表筆接副電池正極接入線（純控制器就接正線），紅表筆分別量三條相線

5.控制器部分的下臂三相的MOS管，紅表筆接主電池負(fù)極接入線（純控制器就接負(fù)線），黑表毛分別量三條相線

電動(dòng)車控制器領(lǐng)域的時(shí)用到MOS管，跟大家介紹一下MOS管廠家，深圳市可易亞半導(dǎo)體科技有限公司.是一家專業(yè)從事中、大、功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)、快速恢復(fù)二極管、三端穩(wěn)壓管開發(fā)設(shè)計(jì)，集研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為一體的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)

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