功率级：高性能参数和MOSFET和栅极驱动器的选择

欢迎回来参加培训系列的第二部分， 电池供电型电机驱动应用 -- 设计高性能 功率级。 在本次培训的第二部分中， 让我们来了解一下，在电动工具应用中 称为高性能功率级的功率级有哪些关键 决策参数。 第一个关键参数是小巧的外形。 如果看一下现有的电动工具， 电机位于顶部，电池位于底部， 而功率级可位于电池正上方， 或位于手柄上，或电机的背侧。 所以，具有小巧外形的功率级 可灵活地进行安装。 此外，较小的功率级能够以最小的 布局寄生效应和低廉的成本获得更好的布局性能。 另一个重要参数是效率。 高效率系统提供最大扭矩， 提供更长的电池工作持续时间， 从而可减少充电和放电周期， 进而延长电池使用寿命。 效率更高的功率级损耗更少， 因此可减少冷却工作量， 从而有助于去除散热器。 保护和可靠性 --无刷电机的 [听不清] 与图片所示看起来很像。 三相电机的每个相 建模为 [听不清]或与相绕组电感 以及电阻串联的感应电压源。 我们知道，当电导体 处于磁场中时将产生电压。 因此，如果电机失速， 这意味着电机转速为零。 产生的 [听不清]将为零。 因此，稳态失速电流 受电机电阻限制。 通过将端子间施加的电压 除以总相间电阻，可算出此 电流。 我已经测量出一个额定电流能力为 42 安培的 典型 48 伏 2 千瓦电机的参数。 电机相位电阻的 观测值为 20 [听不清]。 所以，如果我们在电机相间绕组上 施加 [听不清]，那么稳态电流 为 900 安培。 这意味着失速电流是 电机额定电流的 2230 倍。 如果我们允许此电流在电机上流通 一段时间，则电机可能会出现过热或烧坏的情况。 此外，如果我们必须设计一个 能够处理 900 安培的功率级，那么 功率级将很庞大。 此功率级需要适当的保护 以便限制这种失速或阻塞 [听不清] 情况下的电流。 高峰值扭矩是这个 [听不清] 中的 另一项重要要求。 在 BLDC 模型中产生的扭矩 与电机绕组电流成比例。 像电动工具之类的应用 需要高起动转矩。 此外，这些应用要求间歇峰值扭矩。 例如，在钻削期间，如果电动工具钻头卡住， 那么功率级应当能够为电机提供持续时间为 几分之一秒的非常高的峰值电流， 以便产生非常高的峰值转矩， 进而帮助电动工具超越该转矩。 到目前为止，我们已了解了 高性能功率级的一些峰值参数。 现在，让我们来看一下，如何进行系统设计以打造 一个高性能功率级。 在本培训的第一部分中， 我们已讨论了电池和电机。 现在让我们来看一下，进入功率级的是什么内容。 这个功率级具有由六个 MOSFET [听不清] 的三相逆变器。 如果电流额定值很高， 我们可能有两个并联 MOSFET。 在这种情况下，MOSFET 的总数 将是 [INAUDIBLE] 或 18，具体取决于有多少个 MOSFET 进行并联。 这些 MOSFET 由栅极驱动器进行驱动。 MCU 生成PWM 信号 并执行控制算法。 必须具有直流/直流转换器和 LDO 才能为 MCU 和栅极驱动器 产生 [听不清]。 需要使用放大器和比较器来进行 电机电压和电流感应以及 所有电流动作。 可能有部件用于感应 MOSFET 的 [听不清] 源极电压。 而这一信息用于过流和短路 保护和检测。 德州仪器 (TI) 的高级集成型栅极驱动器 在单个芯片中集成了所有直流/直流感应 和保护特性。 现在，我将讨论如何选择 MOSFET 和栅极驱动器来设计 一个高性能功率级。 通过选择 MOSFET和栅极驱动器 实现小外形尺寸 --MOSFET 的封装尺寸 对于实现小外形尺寸很重要。 TI 具有不同封装的 MOSFET， 比如微型的[听不清] 封装， 称为 SON 5x6，D2PAK，以及 TO220 封装。 MOSFET 的热阻是另一个 重要参数。 具有较低 [听不清]热阻的 MOSFET 在 PCB 上可以实现更有效的热分布， 因此具有更好的散热， 这有助于去除散热器或减小散热器尺寸。 栅极驱动器可采用不同的拓扑， 比如独立高侧或低侧、半桥、 全桥或三相。 单个封装中的三相栅极驱动器 有助于减小功率级的外形。 高度集成的高级栅极驱动器 将栅极驱动器和MCU 集成在一个封装中， 也有助于减小功率级的尺寸。 通过选择 MOSFET和栅极驱动器 实现高效率 --为实现高效率， 我们选择具有较低 [听不清] 电阻 RDS_ON 的 MOSFET，这有助于实现较低的传导 损耗。 具有较低栅极电荷的 MOSFET 有助于减少开关损耗。 MOSFET 的体二极管也有助于减少损耗。 具有较低正向电压和较低反向恢复的 二极管有助于降低整体损耗。 具有较高灌电流和拉电流的栅极驱动器 有助于加快 MOSFET开关速度，因此 可减少开关损耗。 具有多个电荷泵的栅极驱动器可确保 在输入或 [听不清]辐射过程中 向 MOSFET 提供较高且稳定的栅极到源极电压， 这有助于减少传导损耗。 具有 [听不清]充电功能的电荷泵 还有助于在 100%占空比下运行功率级， 并确保完全利用可用的直流总线 电压。 通过选择 MOSFET和栅极驱动器 实现保护和可靠性 --所选的 MOSFET 和栅极驱动器 必须具有绝对最大额定值， 与所需的电气设计参数 相比具有良好的设计余量。 FET 的寄生电容也在系统的 可靠性方面起着重要作用， 我们将在本培训的 稍后部分对此进行讨论。 安全运行区域和最高工作温度 必须满足设计要求。 栅极驱动器中的集成保护功能， 如失速电流保护、抗电压锁定、 过压保护或温度保护， 除了 [听不清]，可提供全面的系统保护，并增加 可靠性。 通过选择 MOSFET 和栅极驱动器实现高峰值扭矩 -- 具有短期高峰值电流能力的 MOSFET 有助于实现高瞬时峰值扭矩 而不损坏 FET。 具有较高拉电流和灌电流能力的 栅极驱动器有助于加快搜索速度， 进而提供瞬时峰值扭矩。 集成电流感应和保护功能 可确保在此类条件下保护系统。 到现在为止，我们已经讨论了无线电动工具中的 电机驱动系统，讨论了电机、电池、 功率级、高性能参数， 以及如何选择 MOSFET和栅极驱动器 来实现这些高性能参数。 MOSFET 和栅极驱动器的选择并不是相互独立的。 我们将在本培训的下一部分了解如何进行此选择。