電動車控制器短路保護時間的計算方法

電動車控制器短路保護時間的計算方法
作為整車四大件之一的控制器的技術也不斷成熟，可靠性也越來越高，質量已進入一個相對穩定的時期。由於在控制器的生產和使用過程中不可避免地會遇到相線短路的情況，如電機的線圈短路就會直接導致控制器的相線短路。因此，必須設計短路保護功能以提高控制器的可靠性。在實際應用中，許多工程師面往往忽略了短路保護時間設計的問題，因此本文就如何確定短路保護時間作一些探討，以便能夠為設計人員在設計產品時作一些參考。
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)
根據單脈衝的熱阻係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，當脈衝45us關斷後，Vds回升，由於溫度過高，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，這是由於短路時MOSFET直接將電源正負極短路，迴路阻貳是導線，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，其迴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於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：
其中：
Tj：MOSFET結點溫度


2．2 根據瞬態溫升和單脈衝功率計算允許的單脈衝時的熱阻
由圖2可知，短路時MOSFET耗散的功率約為：
脈衝的功率也可以通過將圖二測得波形存為EXCEL格式的數據，然後通過EXCEL進行積分，從而得到比較精確的脈衝功率數據。
對於MOSFET溫升計算有如下公式：
其中：
Zθjc------熱阻係數
2．3 根據單脈衝的熱阻係數確定允許的短路時間
由圖3最下面一條曲線（單脈衝）可知，對於單脈衝來說，要想獲得0.015的熱阻係數，其脈衝寬度不能大於20us。
3 設計短路保護應注意的幾個問題
由於不同控制器的PCB布線參數不一樣，導致相線短路時迴路阻貳不等，短路電流也因此不同。所以，不同設計的控制器應根據實際情況設計確當的短路保護時間。
由於應用中使用的電源電壓有可能不同，也會導致短路電流的不同，同樣也會影響到保護時間。
注意控制器實際工作時的可能最高溫度，工作溫度越高，短路保護時間就應該越短。
本文討論的短路保護時間是指MOSFET能承受的最長短路時間。在設計短路保護電路時，應考慮硬體及軟體的響應時間，以及電流保護的峰值，這些參數都會影響到最終的保護時間。因此，硬體電路設計和軟體的編寫致關重要。
本文討論的短路保護時間是單次短路保護時間，短路后短時間內不能再次短路。如果設計成周期性短路保護，則短路保護時間應更短。
4 結論
短路保護在瞬間大電流時能對MOSFET提供可靠的快速保護，大大增加了控制的可靠性，減少了控制器的損壞率。