1 引言
随着电子电力技术的发展,功率MOSFET以其高频性能好、开关损耗小、输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单等,得到了越来越广泛的应用。在低压大功率的许多应用场合,如电动三轮车、旅游观光电动汽车、小型电动叉车等,无一例外的是采用MOS管并联的方法,但这些传统的并联方法大多数是把同一规格的MOS管并联在一起使用,并联前不会专门进行均流、发热温升测试后再选择并联,理由有:a、费时、费力;b、即使进行筛选,由于实验状况不能完全模拟实际运行的工作状态,即使在实验过程得到的均流效果很好,实际应用时由于条件的改变等原因,均流效果并不定能达到原先预定的结果,有时甚至差别非常大。因此,在实际MOS管并联应用中,如果均流不均匀、损耗发热严重失衡,则整个并联回路的MOS管会先逐个/多个一起损坏,最终并联回路所有的管子全部损坏,进而宣告整个并联电路的失败。为此,本文介绍一种新的MOS管并联方法,可有效克服以上所述的并联方法的缺点,提高并联电路的工作可靠性。
2 MOS功率管并联需要考虑的要点
为了使并联电路中每个MOS管尽可能的均流,在设计并联电路时需要考虑如下要素:
i. 饱和压降VDS或导通RDSon[1]:对所有并联的MOS管而言,导通时其管压降是相同的,
其结果必然是饱和电压小的MOS管先流过较大的电流,随着结温的升高,管压降逐渐增大,则流过管压降大的MOS管的电流又会逐渐增大,从而减轻管压降小的MOS管的工作压力。因此,从原理上讲,由于N沟道功率型MOS管的饱和压降VDS或导通电阻RDSon具有正的温度特性,是很适合并联的;
ii. 开启电压VGS(th) [1]:在同一驱动脉冲作用下,开启电压VGS(th)的不同,会引起MOS管的开通时刻不同,进而会引起先开通的MOS管首先流过整个回路的电流,如果此时电流偏大,不加以限制,则对MOS管的安全工作造成威胁;
iii. 开通、关断延迟时间
[1];开通上升、关断下降时间tr、tf:同样,在同一驱动脉冲作用下,td(on)/td(off)、tr、tf的不同,也会引起MOS管的开通/关断时刻不同,进而会引起先开通/后关断的MOS管流过整个回路的电流,如果此时电流偏大,不加以限制,则同样对MOS管的安全工作造成威胁;
iv. 驱动极回路的驱动输入电阻、等效输入电容、等效输入电感[1]等,均会造成引起MOS管的开通/关断时刻不同。
从上所述,可以看出,只要保证无论在开通、关断、导通的过程流过MOS管的电流均使MOS管工作在安全工作区内,则MOS管的安全工作得到保障。为此,本文提出一种MOS管的新的并联方法,着重于均流方面的研究,可有效的保证MOS管工作在安全工作区内,提高并联电路的工作可靠性。
3 一种新MOS管并联方法的工作原理
3.1 并联方法电路图
以3只IR公司的IRF2807 MOS管并联试验为例,工作电路图如图1。
3.2 工作原理
在图1中,采用对每个并联的MOS管单独实施限流技术来限制流过每个MOS管的电流。具体方法如下:
在每个MOS管串联作电流检测用的采样电阻(图中的R10、R11、R12),实时对流过每个MOS管的电流进行监测。3路分流器的采集信号均送入4比较器LM339,作为判断是否过流的依据:只要流过任何一个MOS管的电流超过对其所限定的电流保护值,则控制回路依据送出的过流保护信号马上限制驱动脉冲的开度,保证当前流过每个MOS管的电流不超过所限定的电流保护值。
在图1中,如果在PWNin驱动脉冲加入后,假定MOS1先开通,MOS2、MOS3暂时未开通,则电流只能先流过MOS1,而且电流被限制在其限制值以内;接着MOS2又开通,则部分原先流过MOS1的电流会被分流到MOS2,必然引起流过MOS1的电流小于其限制值,于是过流信号消失,PWNin驱动脉冲开度加大,直至电流重新到达MOS1或MOS2的电流限制点后,PWNin驱动脉冲才会停止增加。以后MOS3导通的又重复上述的电流分配过程,直至到达新的电流平衡。同理,可分析MOS管任何时刻单个或多个导通时电流的自行分配过程。
假定现要求最大电流x(A),则理论上平均流过每个MOS管的电流为x/3(A)。但由于以上第2大点所述的等原因,不可能做到均流,所以,要适当的把单个MOS管的电流保护点比x/3大一些,据笔者的经验,实际值多为理论值的1.1~1.3倍,即单个MOS管的电流保护点为(1.1~1.3)*x/3(A)。
3.3 调试方法
例如,在图1中,现需求负载为低压直流电机,在供电为50VDC下,最大输出电流为40ADC,则调试过程如下:
1) 带上模拟负载:用图1中的L1+R13模拟电机的实际电感量和内阻,或有条件的话,让电机实际带载;
2) 计算单个MOS管的电流保护点:
理论值:40/3≈ 13.34 (A)
实际估算值:1.2*13.34≈16(A)
3) 电流保护点调试方法:
a、仅接上MOS1,MOS2、MOS3不接,加电带载,把流过MOS1的电流限制在16A;
b、仅接上MOS2,MOS1、MOS3不接,加电带载,把流过MOS2的电流限制在16A;
c、仅接上MOS3,MOS1、MOS2不接,加电带载,把流过MOS3的电流限制在16A;
d、全部接上MOS1,MOS2、MOS3,加电带载,测量流过负载的总电流是否满足要求。
如果此时总电流偏大/偏小,则再回到第二步,重新调节各个MOS管的电流保护点,直到总电流与要求的电流值相符。
3.4 实验结果
在图1中,用L1=1mH、R13=0.7Ω模拟实际的电机负载作试验,把单个MOS管的电流保护点均限制为15A,所得的结果如表1。
实测所得的电流波形图如图2示。
从试验结果看,得到的并联效果是非常不错的,总的均衡率为:40.1/(15*3)=89.1%。
4 在车用系统上的应用
在供电电压≤100VDC的大电流车用系统中,采用MOS管比采用IGBT的损耗要小的多,当然电源做功的效率就更高,有利于缩小系统体积。比如目前国内现广泛使用的载货电动车三轮车,大多数采用直流串励电机,供电电压为48~60VDC(额定值),最大启动电流要求为≥100A(要求持续2~3分钟以上)。此类驱动器一般体积要求较小。如果再采用IGBT,即使不计成本,散热体积也不允许采用大电流的IGBT作功率管。此时采用图1的方案是很合适的:采用3只耐压为100V、最大电流为100A左右的TO-247封装的MOS管作并联,如STY140NS10(ST生产,在Vgs为10V时的最大导通电阻Rds=0.01Ω)的MOS管,依据上述的计算方法,很容易确定各个MOS管的保护点。
同理,图1的并联方法也可应用于电动车的无刷电机的驱动系统上,一种工作电路图如下:
图3仅画出A相的电路,B、C相电路类同。从图3可见,如果调速时单独调节上管,下管统统不调节,只有在出现换向时才出现开、关的动作。这意味着,在60°电角度内,上管的开、关受控于驱动脉冲,而下管则一直保持导通。这样,不但电路变得更加简洁,下管的开、关损耗也减少很多,而且还有利于减小电机电流纹波。但在分配输出驱动脉冲时,要保证在所有的4个下管完全开通以后、才允许上管开通;在上管完全关断以后,才允许下管关断。这样可避免下管由于开、关动作时序不一致等原因引起电流短时分配不均而损坏。当所有下管导通后,电流分配则仅依赖其导通电阻,而同一规格的MOS管的导通电阻,据笔者的多年使用经验,相差一般很小,在导通期间:如果其导通电阻大,则流过的电流小;导通电阻小,则流过的电流大,随着结温的上升,导通电阻亦会增大,电流会逐渐从承载较多电流的管子转移到最初承载电流较少的管子。而且,对于导通电阻<0.1Ω的MOS管,工作时的主要发热源为开关损耗:占MOS管的总发热量80%以上,导通损耗所占的比例不到20%,供电电源电压愈高发热愈甚,开关损耗所占的比例会更大。因此此控制方法是可行而且有效的。
目前,在车用小功率无刷电机的驱动器应用上,仅调制上管的驱动方法得到了广泛的应用,再加入各个MOS管的电流限制,能够进一步的提高其工作可靠性。
注:这里所说的上管、下管,是指在特定的电角度内,需要开通的不同桥臂上的上管、下管,不是指同一臂上的上、下管。
5 应用要注意的问题
在MOS管的并联实际应用中,为了获得更好的并联效果,除了上面所阐述的注意事项外,还必须注意:
1) 换流回路中回路电感:如图1中,从MOS1、MOS2、MOS3的漏极到功率电源Uc的+端之间的连线长度尽可能相等[1],以获得等同的回路电感,否则,在快速的开关过程中,会引起并联的MOS管的开关速度不同,进而导致动态的不平衡。因此,换流回路应被设计得严格平衡(包括续流回路D1、D2、D3与负载之间的回路);
2) 并联回路中的MOS管的驱动电阻偏差:如图1中的R4、R5、R6,必须尽可能的保证之间的偏差小[1],以获得相同的开关时刻。若有偏差存在,将会导致开关时刻的不一致性,加剧开关损耗的分布不平衡。
在这里,可能有的读者会问,既然如此,那能否共用一个驱动电阻呢？答案是万万不能！在图1中,笔者曾经采用过共用一个驱动电阻,如图4示,在单独调试单个MOS管的电流保护时,工作均正常,但只要并联(2个或3个),结果只要一加PWM信号、出电流,很快就有MOS管发热损坏,当时笔者也百思不得其解。后经不断查找,才发现在MOS管的栅极驱动处会出现高达上兆的寄生振荡波形,如图5示,可见MOS管的关断波形会在开启电压附近振荡,或很难关断、或处于放大状态,导致MOS管发热梯度太快,短时散发不出,于是MOS很容易发生热击穿。这才是导致MOS管损坏的根本原因。于是笔者对驱动回路重新改进为图1的驱动电阻独立的方式,则问题得到解决。
3) 安装问题:并联的MOS管模块、应靠近安装并安装在同一散热片上,以获得最优化的热耦合,同时也有利于反向二极管、续流二极管的热均衡;
4) 降额问题:使用时,必须依据实际的散热条件、需求负载电流、供电电压等级、开关频率等条件,对所选用的MOS管标称的电压、电流参数等参数作降额使用。从笔者的应用经验看,TO-220封装的MOS管能够持续工作的电流约为15A ,TO-247封装约为25A 。
除此以外,还存在着以下问题:在电流续流期间,由于并联的MOS管内部自带的二极管的不一致性,也有可能引起流过每个二极管的电流大小不一样,造成内部二极管的损坏,所以应用时也要关注。从笔者的应用经验看,同一型号/批次的MOS管内部自带的二极管的导通、关断(反向恢复)时间相差很小,管压降相差也很小,反向恢复时间很短,即开关损耗比MOS管的小得多,所以瞬时过电流能力很强(这也可从解剖损坏的MOS管上得到证明:笔者解剖过多个损坏的MOS,发现其内置的续流二极管并没损坏;外置的续流二极管如图4中的D1、D2、D3,实际工作过程中更不会损坏,如发生损坏,则只能是MOS1或MOS2或MOS3)。因此,只要控制好流过每一个并联的MOS管的电流,使MOS管工作在安全工作区范围内,则MOS管由于电流损坏的故障几率大大降低。
6 结束语
本文提出了一种新的MOS管并联的方法,并阐述了应用时要注意的事项。该并联方法很容易推广到多个MOS管的并联。同样,该并联方法也适用IGBT的并联。参照图1或图3的电路结构,很容易的搭建出实用的大功率的驱动电路,缺点是电流限制回路设计及调节略显复杂。使用图4的并联方法,笔者使用6个MOS管并联,成功的为电动车厂家设计出最大电流达200A/60V的电动三轮车直流串励电机驱动器;使用2个MOS管并联,成功的为电动车厂家设计出500W/48V的电动车无刷电机驱动器。
从上述的实验结果来看,证明了MOS管是可以并联使用的,但并联方法并不是简单的把他们并在一起就可以正常工作的,会涉及到许多相关的应用问题,需在实际应用中不断的摸索、总结。只有保证并联的各个MOS管模块既在静态(例如正向导通运行期间)、动态(例如在开关时刻)均达到理想的均衡对称状态,才能最大程度地利用并联后的MOS管。
参考文献:
[1] 《semikron功率模块应用手册》[Z].2006,9.
作者简介:陈毓辉(1972-),男,工程师,主要从事交直流伺服控制技术的设计开发与应用。