選擇自鉗位MOSFET提高電動工具系統(tǒng)可靠性

電動工具由于其設(shè)計輕巧、動力強(qiáng)勁、使用方便等優(yōu)點，在各種場合得到了廣泛的應(yīng)用。電動工具一般采用直流有刷電機(jī)配合電子無級調(diào)速電路實現(xiàn)，具有起動靈敏并可正反調(diào)速等功能，如手電鉆、電動起子等。無級調(diào)速電路一般采用PWM工作方式來實現(xiàn)。由于電機(jī)的內(nèi)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(guān)斷時由于高di/dt在線路引線電感上產(chǎn)生的高感應(yīng)電壓，都對系統(tǒng)中的MOSFET的強(qiáng)壯性提出了很高的要求。本文就如何優(yōu)化開關(guān)波形以及如何選擇合適的MOSFET做一些分析。
　　

驅(qū)動電路工作原理

圖1為電動工具及控制器的結(jié)構(gòu)圖。圖中驅(qū)動電路通常由芯片555組成，工作頻率一般在10KHz以內(nèi)，其工作過程如下所述。

圖1：電動工具及控制器的結(jié)構(gòu)圖

(a) 電動工具； (b) 電動工具控制器電路示意圖

當(dāng)MOSFET開通時，電流通過電池正極→線路引線電感→電機(jī)線圈→MOSFET→電池負(fù)極形成回路，電機(jī)線圈電流等于MOSFET中的電流，續(xù)流二極管截止。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，電機(jī)線圈通過二極管D1續(xù)流，電機(jī)電流基本維持不變。但MOSFET和引線電感中的電流隨著MOSFET的關(guān)斷而迅速變?yōu)榱悖诰€路引線電感中產(chǎn)生很大的感應(yīng)電勢LW di/dt，其方向如圖1b中紅色箭頭所示。這樣的感應(yīng)電勢與電池電壓疊加會產(chǎn)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(dǎo)致系統(tǒng)可靠性大幅降低。通過調(diào)整MOSFET的PWM占空比可以在電機(jī)線圈中得到不同的平均電流，從而實現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速。

圖2：電動工具中MOSFET的開關(guān)波形

(a) MOSFET的開關(guān)波形；(b) 開通波形； (c) 關(guān)斷波形　

MOSFET的功耗計算

圖2為電動工具中MOSFET(AOT500)的開關(guān)波形。MOSFET的功率損耗由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗組成，分別如下：

⑴ 導(dǎo)通損耗

其中，
⑵ 開關(guān)損耗　　

由于MOSFET開通時有相對較大的電機(jī)線圈電感存在，MOSFET由關(guān)斷狀態(tài)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(guān)斷損耗如下：

其中：VCLAMP為MOSFET關(guān)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：