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电动车控制器短路保护时间的计算方法

• 议题内容：

  电动车无刷电机控制器短路的工作模型
  控制器在短路时MOSFET的工作状态
  计算MOSFET瞬态温升的计算公式
  设定短路保护时间的原则
  解决方案：

  温升公式：Tj = Tc + P × Rth(jc)
  根据单脉冲的热阻系数确定允许的短路时间
  工作温度越高短路保护时间就应该越短
  1 短路模型及分析

  短路模型如图1所示，其中仅画出了功率输出级的A、B两相（共三相）。Q1和Q3为A相MOSFET，Q2和Q4为B相MOSFET，所有功率MOSFET均为AOT430。L1为电机线圈，Rs为电流检测电阻。

  当控制器工作时，如电机短路，则会形成如图1中所示的流经Q2，Q3的短路电流，其电流值很大，达几百安培，MOSFET的瞬态温升很大，这种情况下应及时保护，否则会使MOSFET结点温度过高而使MOSFET损坏。短路时Q3电压和电流波形如图2所示。图2a中的MOSFET能承受45us的大电流短路，而图2b中的MOSFET不能承受45us的大电流短路，当脉冲45us关断后，Vds回升，由于温度过高，仅经过10us的时间MOSFET便短路，Vds迅速下降,短路电流迅速上升。由图2我们可以看出短路时峰值电流达500A，这是由于短路时MOSFET直接将电源正负极短路，回路阻抗是导线，PCB走线及MOSFET的Rds（on）之和，其数值很小，一般为几十毫欧至几百毫欧。

  

  

  2 计算合理的保护时间

  在实际应用中，不同设计的控制器，其回路电感和电阻存在一定的差别以及大电流电感短路时的电源电压不同，导致控制器三相输出线短路时的短路电流各不相同，所以设计者应跟据自己的实际电路和使用条件设计合理的保护时间。
  短路保护时间计算步骤：

  2．1 计算MOSFET短路时允许的瞬态温升

  因为控制器有可能是在正常工作时突然短路，所以我们的设计应是基于正常工作时的温度来计算允许的瞬态温升。MOSFET的结点温度可由下式计算：

  Tj = Tc + P × Rth(jc)
  其中：

  绕行电感

  Tc：MOSFET表面温度
  Tj：MOSFET结点温度
  插件电感Rth（jc）：结点至表面的热阻，可从元器件Date sheet中查得。
  
  
  理论上MOSFET的结点温度不能超过175℃，所以电机相线短路时MOSFET允许的温升为：Trising = Tjmax - Tj = 175-109 = 66℃。

  2．2 根据瞬态温升和单脉冲功率计算允许的单脉冲时的热阻

  由图2可知，短路时MOSFET耗散的功率约为：

  P = Vds × I = 25 × 400 = 10000W
  脉冲的功率也可以通过将图二测得波形存为EXCEL格式的数据，然后通过EXCEL进行积分，从而得到比较精确的脉冲功率数据。

  对于MOSFET温升计算有如下公式：

  Trising = P × Zθjc × Rθjc
  其中：

  Rθjc------结点至表面的热阻，可从元器件Date sheet中查得。
  Zθjc---叠层片式电感器---热阻系数
  Zθjc = Trising ÷（ P × Rθjc）
  Zθjc = 66 ÷ （10000 × 0.45）= 0.015

  2．3 根据单脉冲的热阻系数确定允许的短路时间

  由图3最下面一条共模电感曲线（单脉冲）可知，对于单脉冲来说，要想获得0.015的热阻系数，其脉冲宽度不能大于20us。

  

  3 设计短路保护应注意的几个问题

  由于不同控制器的PCB布线参数不一样，导致相线短路时回路阻抗不等，短路电流也因此不同。所以，不同设计的控制器应根据实际情况设计确当的短路保护时间。

  由于应用中使用的电源电压有可能不同，也会导致短路电流的不同，同样也会影响到保护时间。

  注意控制器实际工作时的可能最高温度，工作温度越高，短路保护时间就应该越短。

  本文讨论的短路保护时间是指MOSFET能承受的最长短路时间。在设计短路保护电路时，应考虑硬件及软件的响应时间，以及电流保护的峰值，这些参数都会影响到最终的保护时间。因此，硬件电路设计和软件的编写致关重要。

  本文讨论的短路保护时间是单次短路保护时间，短路后短时间内不能再次短路。如果设计成周期性短路保护，则短路保护时间应更短。

  4 结论

  短路保护在瞬间大电流时能对MOSFET提供可靠的快速保护，大大增加了控制的可靠性，减少了控制器的损坏率。

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