選擇自鉗位MOSFET提高電動工具系統可靠性

電動工具由于其設計輕巧、動力強勁、使用方便等優點，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速電路實現，具有起動靈敏并可正反調速等功能，如手電鉆、電動起子等。無級調速電路一般采用PWM工作方式來實現。由于電機的內阻較小，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生的高感應電壓，都對系統中的MOSFET的強壯性提出了很高的要求。本文就如何優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，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，續流二極管截止。當MOSFET關斷時，電機線圈通過二極管D1續流，電機電流基本維持不變。但MOSFET和引線電感中的電流隨著MOSFET的關斷而迅速變為零，在線路引線電感中產生很大的感應電勢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，將會導致系統可靠性大幅降低。通過調整MOSFET的PWM占空比可以在電機線圈中得到不同的平均電流，從而實現電機的無級調速。

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：