電動(dòng)車(chē)控制器場(chǎng)效應管

1、MOS在控制器電路中的工作狀態(tài)

開(kāi)通過(guò)程、導通狀態(tài)、關(guān)斷過(guò)程、截止狀態(tài)、擊穿狀態(tài)。  

MOS主要損耗包括開(kāi)關(guān)損耗（開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程），導通損耗，截止損耗（漏電流引起的，這個(gè)忽略不計），還有雪崩能量損耗。電動(dòng)車(chē)控制器場(chǎng)效應管只要把這些損耗控制在MOS承受規格之內，MOS即會(huì )正常工作，超出承受范圍，即發(fā)生損壞。

而開(kāi)關(guān)損耗往往大于導通狀態(tài)損耗，尤其是PWM沒(méi)完全打開(kāi)，處于脈寬調制狀態(tài)時(shí)（對應電動(dòng)車(chē)的起步加速狀態(tài)），而最高急速狀態(tài)往往是導通損耗為主。

2、 MOS管在電動(dòng)車(chē)控制器中的作用

電動(dòng)車(chē)控制器場(chǎng)效應管簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)電機是靠MOS的輸出電流來(lái)驅動(dòng)的，輸出電流越大（為了防止過(guò)流燒壞MOS管，控制器有限流保護），電機扭矩就強，加速就有力。

3、MOS損壞主要原因

過(guò)流，大電流引起的高溫損壞（分持續大電流和瞬間超大電流脈沖導致結溫超過(guò)承受值）；過(guò)壓，源漏級大于擊穿電壓而擊穿；柵極擊穿，一般由于柵極電壓受外界或驅動(dòng)電路損壞超過(guò)允許最高電壓（柵極電壓一般需低于20v安全）以及靜電損壞。

4、MOS在電動(dòng)車(chē)控制器中的應用

我們電動(dòng)車(chē)控制器場(chǎng)效應管和平常cmos集成電路中的小功率mos結構是不一樣的。小功率mos是平面型結構。而電動(dòng)車(chē)上上用的功率mos是立體結構。平面型結構是指，mos柵極，源級和漏級都在芯片表面（或者說(shuō)正面），而溝道也在芯片表面橫向排列。（我們常見(jiàn)的教科書(shū)的介紹mos原理一般都是拿平面結構介紹）。而功率mos的立體結構（溝道是深槽立體結構）是柵極和源級引線(xiàn)從芯片正面引出（其實(shí)柵極也不在表面而是內部，只是比較靠近表面），而漏級是從芯片背面引出（其實(shí)整個(gè)芯片背面都是漏級連接在一起的，整個(gè)個(gè)漏級用焊接材料直接焊接在金屬板上，就是mos的金屬背板，一般是銅鍍錫的），所以我們見(jiàn)到的mos一般金屬板和中間引腳（就是漏級）是完全導通的（有些特殊的封裝是可以做到金屬板和中間腳絕緣的）。

功率mos內部從漏級到源級是有一個(gè)二極管的，這個(gè)二極管基本上所有的功率mos都具有，和它本身結構有關(guān)系（不需要單獨制造，設計本身就有）。當然可以通過(guò)改變設計制造工藝，不造出這個(gè)二極管。但是這會(huì )影響芯片功率密度，要做到同樣耐壓和內阻，需要更大的芯片面積（因為結構不同）。大家只是知道這回事就行了。

我們所見(jiàn)的電動(dòng)車(chē)控制器場(chǎng)效應管，其實(shí)內部由成千上萬(wàn)個(gè)小mos管并聯(lián)而成（實(shí)際數量一般是上千萬(wàn)個(gè)，和芯片面積和工藝有關(guān)）。如果在工作中，有一個(gè)或幾個(gè)小管短路，則整個(gè)mos表現為短路，當然大電流短路mos可能直接燒斷了（有時(shí)表現為金屬板和黑色塑封間開(kāi)裂），又表現為開(kāi)路。大家可能會(huì )想這上千萬(wàn)個(gè)小mos應該很容易出現一個(gè)或幾個(gè)壞的吧，其實(shí)真沒(méi)那么容易，目前的制造工藝基本保證了這些小單位各種參數高度一致性。它們的各種開(kāi)關(guān)動(dòng)作幾乎完全一致，當然最終燒壞時(shí)，肯定有先承受不了的小管先壞。所以管子的穩定性和制造工藝密不可分，差的工藝可能導致這些小管的參數不那么一致。有時(shí)一點(diǎn)小的工藝缺陷（比如一個(gè)1um甚至更小的顆粒如果在關(guān)鍵位置）往往會(huì )造成整個(gè)芯片（缺陷所在的管芯）報廢。

5、MOS管的開(kāi)關(guān)原理

MOS是電壓驅動(dòng)型器件，只要柵極G和源級S間給一個(gè)適當電壓，源級S和漏級D間導電通路就形成。這個(gè)電流通路的電阻被成為MOS內阻，也就是導通電阻。這個(gè)內阻大小基本決定了MOS芯片能承受的最大導通電流（當然和其它因素有關(guān)，最有關(guān)的是熱阻）。內阻越小承受電流越大（因為發(fā)熱?。?。MOS問(wèn)題遠沒(méi)這么簡(jiǎn)單，麻煩在它的柵極和源級間，源級和漏級間，柵極和漏級間內部都有等效電容。所以給柵極電壓的過(guò)程就是給電容充電的過(guò)程（電容電壓不能突變），所以MOS源級和漏級間由截止到導通的開(kāi)通過(guò)程受柵極電容的充電過(guò)程制約。關(guān)斷過(guò)程和這個(gè)相反。

電動(dòng)車(chē)控制器場(chǎng)效應管主要就是玩怎么最優(yōu)控制它的柵極。但是MOS內部這三個(gè)等效電容是構成串并聯(lián)組合關(guān)系，它們相互影響，并不是獨立的，如果獨立的就很簡(jiǎn)單了。其中一個(gè)關(guān)鍵電容就是柵極和漏級間的電容Cgd，這個(gè)電容業(yè)界稱(chēng)為米勒電容。這個(gè)電容不是恒定的，隨柵極和漏級間電壓變化而迅速變化。這個(gè)米勒電容是柵極和源級電容充電的絆腳石，因為達到一個(gè)平臺后，柵極的充電電流必須給米勒電容充電，這時(shí)柵極和源級間電壓不再升高，達到一個(gè)平臺，這個(gè)是米勒平臺（米勒平臺就是給Cgd充電的過(guò)程），米勒平臺大家首先想到的麻煩就是米勒振蕩。

因為這個(gè)時(shí)候源級和漏級間電壓迅速變化，內部電容相應迅速充放電，這些電流脈沖會(huì )導致MOS寄生電感產(chǎn)生很大感抗，這里面就有電容，電感，電阻組成震蕩電路（能形成2個(gè)回路），并且電流脈沖越強頻率越高震蕩幅度越大。所以最頭疼的就是這個(gè)米勒平臺如何過(guò)渡。

如果開(kāi)關(guān)速度很快，這個(gè)電流變化率很高，振幅加大并震蕩延時(shí)（柵極電壓震蕩劇烈會(huì )影響柵極電容的充電速度，內部表現是電容一會(huì )充電，一會(huì )放電）。所以干脆開(kāi)關(guān)慢點(diǎn)（就是柵極電容慢慢充電，用小電流充電），這樣震蕩是明顯減輕了，但是開(kāi)關(guān)損耗增大了。MOS開(kāi)通過(guò)程源級和漏級間等效電阻相當于從無(wú)窮大電阻到阻值很小的導通內阻（導通內阻一般低壓mos只有幾毫歐姆）的一個(gè)轉變過(guò)程。比如一個(gè)MOS最大電流100A，電池電壓96V，在開(kāi)通過(guò)程中，有那么一瞬間（剛進(jìn)入米勒平臺時(shí)）MOS發(fā)熱功率是96*100=9600w！這時(shí)它發(fā)熱功率最大，然后發(fā)熱功率迅速降低直到完全導通時(shí)功率變成100*100*0.003=30w（這里假設這個(gè)mos導通內阻3毫歐姆）。開(kāi)關(guān)過(guò)程中這個(gè)發(fā)熱功率變化是驚人的。

如果開(kāi)通時(shí)間慢，意味著(zhù)發(fā)熱從9600w到30w過(guò)渡的慢，MOS結溫會(huì )升高的厲害。所以開(kāi)關(guān)越慢，結溫越高，容易燒MOS。為了不燒MOS，只能降低MOS限流或者降低電池電壓，比如給它限制50a或電壓降低一半成48v，這樣開(kāi)關(guān)發(fā)熱損耗也降低了一半。不燒管子了。這也是高壓控容易燒管子原因，高壓控制器和低壓的只有開(kāi)關(guān)損耗不一樣（開(kāi)關(guān)損耗和電池端電壓基本成正比，假設限流一樣），導通損耗完全受mos內阻決定，和電池電壓沒(méi)任何關(guān)系。我這里說(shuō)的不一定每個(gè)人都需要很懂，大概能知道點(diǎn)就好了，做控制器設計的應該能理解。

其實(shí)整個(gè)mos開(kāi)通過(guò)程非常復雜。里面變量太多?？傊褪情_(kāi)關(guān)慢不容易米勒震蕩，但開(kāi)關(guān)損耗大，管子發(fā)熱大，開(kāi)關(guān)速度快理論上開(kāi)關(guān)損耗低（只要能有效抑制米勒震蕩），但是往往米勒震蕩很厲害（如果米勒震蕩很?chē)乐?，可能在米勒平臺就燒管子了），反而開(kāi)關(guān)損耗也大，并且上臂mos震蕩更有可能引起下臂mos誤導通，形成上下臂短路。所以這個(gè)很考驗設計師的驅動(dòng)電路布線(xiàn)和主回路布線(xiàn)技能。最終就是找個(gè)平衡點(diǎn)（一般開(kāi)通過(guò)程不超過(guò)1us）。開(kāi)通損耗這個(gè)最簡(jiǎn)單，只和導通電阻成正比，想大電流低損耗找內阻低的。

6、Mos封裝

不同封裝方式則內部寄生電感差異很大。電動(dòng)車(chē)上常用的小管（TO-220封裝）和大管（TO-247封裝）封裝電感都挺大，但是之所以它們用量很高，是因為這種結構散熱設計比較容易（大功率下散熱是非常重要的）。一般大管封裝電感是大于小管的。在控制器設計時(shí)，mos封裝寄生電感需要考慮，但也許無(wú)法解決，不過(guò)外部布線(xiàn)電感則必須設計合理，尤其是多管并聯(lián)時(shí)做到均勻分配。

大管和小管的優(yōu)缺點(diǎn)比較（只這兩種比）。大管優(yōu)點(diǎn)，金屬背板面積大所以散熱好做，封裝電阻低（引線(xiàn)粗），所以封裝電流可以做到很大（可以200a左右）。大管缺點(diǎn)，占地方大（這個(gè)很明顯），封裝電感稍大。小管優(yōu)點(diǎn)，占地方小，封裝電感稍小。小管缺點(diǎn)，封裝電阻大（引線(xiàn)細），封裝電流較?。ㄒ话?20a以下），金屬板面積小散熱較弱。（封裝電流和芯片過(guò)流能力是兩個(gè)完全不同的概念，有的廠(chǎng)家規格書(shū)標芯片過(guò)流能力，而有的廠(chǎng)家是這兩個(gè)電流哪個(gè)小標哪個(gè)。因為小的決定了整個(gè)管子的電流能力。

大管和小管簡(jiǎn)單誤區及說(shuō)明。千萬(wàn)不要認為大管的芯片面積一定大于小管的。有些芯片本來(lái)就有不同的封裝方式，比如分別用小管和大管封裝，其實(shí)它們的芯片面積一樣大，大管封裝只是為了散熱更好些或封裝電流更大些。所以大管封裝里面芯片面積可大可小，同樣小管封裝里面芯片面積也可大可小。不過(guò)大管封裝能容納的最大芯片面積大概是小管封裝的2倍（甚至多點(diǎn)）。舉例說(shuō)明，irfb4110用小管封裝，芯片已經(jīng)把小管內部填滿(mǎn)了，面積再大小管放不進(jìn)了，而為了得到更低內阻管子，所以有大管irfp4468，這個(gè)芯片面積比irfb4110大了一倍，所以它的內阻低了一半，各種電容大了一倍。所以一個(gè)4468的芯片成本是4110的2倍（同樣大管封裝成本也比小管高）。所以4468比4110貴了差不多一倍（相當于把兩個(gè)4110封裝在一起的等效效果）。

7、電瓶車(chē)控制器MOS管測量方法

簡(jiǎn)單教大家一測量控制器方法：控制器有6路MOS管，一般控制器壞都是燒MOS管，如何在不打開(kāi)外殼的情況下確定MOS管是否燒壞，方法如下：

1?？刂破魇裁淳€(xiàn)也不要接，取下來(lái)。

2 萬(wàn)用表拔到二極管檔，一般在通斷檔上。

3、任意MOS管內部都有一個(gè)二極管，如果MOS管燒了，那二極管肯定燒，所以，量MOS管的二極管好壞就確定了MOS管好壞。按下面的步驟測量二極管，萬(wàn)用表上穩定顯示0.37~0.44V左右電壓，說(shuō)明這路MOS管好的，如果顯示0V電壓，說(shuō)明這路MOS管擊穿；如果顯示0.7V以上電壓，說(shuō)明這路MOS管擊斷。

4.控制器部分的上臂三相的MOS管，黑表筆接副電池正極接入線(xiàn)（純控制器就接正線(xiàn)），紅表筆分別量三條相線(xiàn)

5.控制器部分的下臂三相的MOS管，紅表筆接主電池負極接入線(xiàn)（純控制器就接負線(xiàn)），黑表毛分別量三條相線(xiàn)

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