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，D=Ton/T 

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：

其中: TJ 為MOSFET的結點溫度，TC為MOSFET的表面溫度， 
R_THJC為MOSFET的熱阻。 

由上式可知，對于一個確定的系統來說，要想降低MOSFET的結點溫度，有以下幾種途徑：⑴ 選擇具有較低RDS(ON)和較低RTHJC的MOSFET。⑵ 設置合適的MOSFET關斷速度，盡量使開關損耗最小。⑶ 盡量減小主回路的引線電感。因為在每一次關斷過程中，回路引線電感中的能量都將被MOSFET吸收。 

MOSFET的選擇要點 

從應用角度看，影響MOSFET可靠性的因素主要有以下幾方面：⑴ MOSFET的結點溫度，過高的結點溫度會影響MOSFET的可靠性，使MOSFET提前失效。⑵ MOSFET漏極上的電壓尖峰如果超過其雪崩擊穿電壓，則MOSFET也會提前失效。因此，我們必須選擇合適的MOSFET設計電動工具驅動電路。例如，自鉗位MOSFET - AOT500，其采用先進的溝道(Trench)工藝設計生產，導通電阻最大值僅為5.3毫歐，且其帶有VDS電壓自鉗位功能，非常適合電動工具設計應用。

  
圖3：自鉗位MOSFET 
(a) AOT500外觀圖； (b) AOT500內部結構

自鉗位MOSFET的漏柵極間集成了一只齊納二極管，如圖3所示。當漏極電壓大于鉗位電壓時，漏柵極間穩壓二極管里會流過很小的電流，通過柵極電阻產生電壓降，當電壓降大于MOSFET開啟電壓VTH時，MOSFET會打開并將漏極電壓鉗位，確保MOSFET不會處于雪崩狀態。圖4(a)和4(b)是分別使用非鉗位MOSFET和鉗位MOSFET在電動工具系統中所測得的波形，如果使用非鉗位MOSFET，則最高點壓可達72V，MOSFET有可能處于雪崩狀態，這種情況下最好使用高耐壓的MOSFET。使用AOT500則電壓被鉗位在40V，系統中的尖峰明顯減少，大大提高了系統的可靠性。

 
圖4： MOSFET的VDS波形 
(a) 使用非鉗位MOSFET； (b) 使用鉗位MOSFET

從AOT500在電動工具中的堵轉試驗時間對比可以看出，AOT500能承受的堵轉時間比其它的電動工具常用的MOSFET要長很多，因而大幅提高了電動工具的可靠性。 

綜上所述，在采用MOSFET設計電動工具時，需要注意以下幾點：盡量減小線路的寄生電感，特別是引線電感，使MOSFET在關斷時吸收的能量最小；提高MOSFET的關斷速度，減小關斷損耗；選擇自鉗位MOSFET，提高系統的可靠性。