電動車無刷電機控制器短路的工作模型

議題內容：

電動車無刷電機控制器短路的工作模型
控制器在短路時MOSFET的工作狀態
計算MOSFET瞬態溫升的計算公式
設定短路保護時間的原則
解決方案：

溫升公式：Tj = Tc + P × Rth(jc)
根據單脈沖的熱阻系數確定允許的短路時間
工作溫度越高短路保護時間就應該越短
1 短路模型及分析

短路模型如圖1所示，其中僅畫出了功率輸出級的A、B兩相（共三相）。Q1和Q3為A相MOSFET，Q2和Q4為B相MOSFET，所有功率MOSFET均為AOT430。L1為電機線圈，Rs為電流檢測電阻。

當控制器工作時，如電機短路，則會形成如圖1中所示的流經Q2，Q3的短路電流，其電流值很大，達幾百安培，MOSFET的瞬態溫升很大，這種情況下應及時保護，否則會使MOSFET結點溫度過高而使MOSFET損壞。短路時Q3電壓和電流波形如圖2所示。圖2a中的MOSFET能承受45us的大電流短路，而圖2b中的MOSFET不能承受45us的大電流短路，當脈沖45us關斷后，Vds回升，由于溫度過高，僅經過10us的時間MOSFET便短路，Vds迅速下降,短路電流迅速上升。由圖2我們可以看出短路時峰值電流達500A，這是由于短路時MOSFET直接將電源正負極短路，回路阻抗是導線，PCB走線及MOSFET的Rds（on）之和，其數值很小，一般為幾十毫歐至幾百毫歐。

2 計算合理的保護時間

在實際應用中，不同設計的控制器，其回路電感和電阻存在一定的差別以及短路時的電源電壓不同，導致控制器三相輸出線短路時的短路電流各不相同，所以設計者應跟據自己的實際電路和使用條件設計合理的保護時間。
短路保護時間計算步驟：

2．1 計算MOSFET短路時允許的瞬態溫升

因為控制器有可能是在正常工作時突然短路，所以我們的設計應是基于正常工作時的溫度來計算允許的瞬態溫升。MOSFET的結點溫度可由下式計算：

Tj = Tc + P × Rth(jc)
其中：

Tc：MOSFET表面溫度
Tj：MOSFET結點溫度
Rth（jc）：結點至表面的熱阻，可從元器件Date sheet中查得。


理論上MOSFET的結點溫度不能超過175℃，所以電機相線短路時MOSFET允許的溫升為：Trising = Tjmax - Tj = 175-109 = 66℃。