電機控制器(MCU)功率器件的選擇以及特性

小編通常在在電機控制器的設(shè)計過程中，對功率器件MOSFET的漏極電流 I D I_DID 進行校核計算是一項重要工作。這里把我自己的一些推導(dǎo)過程做簡單敘述，主要針對某型車用電機所匹配的電機控制器，功率器件為N-MOS，交流端輸出波形為正弦波，并且假設(shè)調(diào)制比 m = 1 m=1m=1 。下文里面出現(xiàn)的變量均如題圖所示。

本文如有錯誤和敘述不清之處，懇請讀者批評指正。

1. 交流輸出端線電流 I L I_LIL：

對于特定的某相而言，例如U相，其交流輸出的電流的有效值 I L I_LIL 實際上由與之串聯(lián)的MOS提供，所以數(shù)值上等于從對應(yīng)的MOS的漏極D輸入、源極S輸出的漏極電流 I D I_DID，有：

I L = I D I_L=I_DIL=IDI D I_DID，漏極電流(有效值);

由于三相是對稱的，所以V、W相的表達式也是如此。這里為了行文簡潔，不標注表示U相的角標。下文如果沒有專門說明，也是針對U相做分析。

2. 交流輸出端線電壓 U L U_LUL：

交流端由于是三相，所以應(yīng)考慮區(qū)分相電壓和線電壓。其中，U點相對V點的交流線電壓 U L U_LUL 的峰值等于直流母線電壓 U D C U_{DC}UDC，對于SVPWM方式，線電壓 U L U_LUL 的有效值為直流母線電壓 U D C U_{DC}UDC 的 1 / 2 1/\sqrt{2}1/2，即：

U L = 1 2 ? U D C U_L=\frac{1}{\sqrt{2}}\cdot U_{DC}UL=21?UDCU D C U_{DC}UDC，直流母線電壓;

3. 電機端的相電流 I p I_pIp：

電機采用星形接法，電機的A相繞組和電機控制器的U相串聯(lián)，所以電機A相的相電流 I p I_pIp 與電機控制器U相的線電流 I L I_LIL 相等：

I p = I L I_p=I_LIp=ILI L I_LIL，輸出端線電流;

4. 電機端的相電壓 U p U_pUp：

電機采用星形接法，電機A相的相電壓等于電機控制器線電壓的 1 / 3 1/\sqrt{3}1/3，即：

U p = 1 3 ? U L U_p=\frac{1}{\sqrt{3}}\cdot U_LUp=31?ULU L U_LUL，輸出端線電壓;

5. 有功功率 P PP：

考慮電機A相繞組，其有功功率等于加在它身上的相電壓 U p U_pUp、通過它的相電流 I p I_pIp、當前功率因數(shù) c o s φ cos\varphicosφ 三者的乘積，再考慮共有三個一樣的繞組，所以整個電機的有功功率 P PP 為：

P = 3 ? c o s φ ? U p ? I p P=3\cdot cos\varphi\cdot U_{p}\cdot I_pP=3?cosφ?Up?Ip代入上文得到的相電壓 U p U_pUp 和相電流 I p I_pIp 的表達式，得到有功功率 P PP 關(guān)于電機控制器線電壓 U L U_LUL 和線電流 I L I_LIL 的表達式：

P = 3 ? c o s φ ? U L ? I L P=\sqrt{3}\cdot cos\varphi\cdot U_{L}\cdot I_LP=3?cosφ?UL?IL再代入線電壓 U L U_LUL 和線電流 I L I_LIL 的表達式，得到有功功率 P PP 關(guān)于直流母線電壓 U D C U_{DC}UDC 和漏極電流 I D I_DID 的表達式：

P = 3 2 ? c o s φ ? U D C ? I D P=\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}}\cdot cos\varphi\cdot U_{DC}\cdot I_DP=23?cosφ?UDC?ID以上各式中，

c o s φ cos\varphicosφ，功率因數(shù);

U p U_pUp，電機端相電壓;

I p I_pIp，電機端相電流;

U L U_LUL，交流輸出端線電壓;

I L I_LIL，交流輸出端線電流;

U D C U_{DC}UDC，直流母線電壓;

I D I_DID，漏極電流;

6. 漏極電流 I D I_DID：

由有功功率 P PP 的表達式可以反求漏極電流 I D I_DID：

I D = 2 3 ? c o s φ ? P U D C I_D=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}\cdot cos\varphi}\cdot \frac{P}{U_{DC}}ID=3?cosφ2?UDCPP PP，有功功率;

c o s φ cos\varphicosφ，功率因數(shù);

U D C U_{DC}UDC，直流母線電壓;

I D C I_{DC}IDC，直流母線電流;

需要注意的是，這里漏極電流 I D I_DID 是單個半橋臂，本例中也就是題圖中所示的單個MOS提供的漏極電流。但如果半橋臂是由N個MOS并聯(lián)的，則 I D I_DID 應(yīng)為N個MOS的漏極電流之和。

7. 漏極電流峰值 I D m I_{Dm}IDm：

I D I_DID 為漏極電流的有效值，由于輸出波形是正弦波，所以漏極電流的峰值為漏極電流有效值的 2 \sqrt{2}2 倍，即：

I D m = 2 ? I D I_{Dm}=\sqrt{2}?I_DIDm=2?ID假設(shè)橋臂使用N個MOS并聯(lián)。那么可以使用規(guī)格書中提供的連續(xù)漏極電流的許用值校核 I D / N I_D/NID/N 和I D m / N I_{Dm}/NIDm/N，并使用脈沖漏極電流許用值校核I D m I_{Dm}IDm。

注意這里是用N個MOS的總漏極電流峰值 I D m I_{Dm}IDm 和單個MOS的脈沖漏極電流許用值做比較。這是考慮到各MOS存在差異，導(dǎo)通時間并不相同，所必然會存在只有一個MOS導(dǎo)通的時刻。此時，這個提前導(dǎo)通的MOS承擔了本應(yīng)由N個MOS共同承擔的所有電流，也就是 I D m I_{Dm}IDm。

當然了，校核并不是簡單的小于許用值就算合格，還需要考慮足夠的安全系數(shù)。這個安全系數(shù)受到不同的原料、工藝、場景和客戶(大霧)等因素的影響會有不同的取值，這里就不展開說了。