中心議題：

•  電動工具控製器的工作原理
• 電動工具中MOSFET的功率損耗
• 線路引線電感對MOSFET開關波形的影響
• 自鉗位MOSFET的工作特性
• 在設計電動工具驅動電路時應注意的問題

解決方案：

• 減小線路的寄生電感
• 提高MOSFET的關斷速度
  ，減小關斷損耗
• 選擇自鉗位MOSFET，提高係統的可靠性

引言

電動工具由於其設計輕巧、動力強勁、使(shi)用(yong)方(fang)便(bian)等(deng)優(you)點(dian)，在(zai)各(ge)種(zhong)場(chang)合(he)得(de)到(dao)了(le)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)。電(dian)動(dong)工(gong)具(ju)一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)直(zhi)流(liu)有(you)刷(shua)電(dian)機(ji)配(pei)合(he)電(dian)子(zi)無(wu)級(ji)調(tiao)速(su)電(dian)路(lu)實(shi)現(xian)，具(ju)有(you)起(qi)動(dong)靈(ling)敏(min)並(bing)可(ke)正(zheng)反(fan)調(tiao)速(su)等(deng)功(gong)能(neng)，如(ru)手(shou)電(dian)鑽(zuan)，電(dian)動(dong)起(qi)子(zi)等(deng)。無(wu)級(ji)調(tiao)速(su)電(dian)路(lu)一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)PWM工作方式來實現。由於電機的內阻較小
，一般隻有一百多毫歐
，因此，在PWM開通期間的峰值電流很大；在PWM關斷時由於高di/dt在線路引線電感上產生的高感應電壓，都對係統中的MOSFET的強壯性提出了很高的要求。本文就如何優化開關波形以及如何選擇合適的MOSFET做一些分析。

1 電動工具電路及工作過程分析

圖1為電動工具及控製器的結構圖。圖中驅動電路通常由芯片555組成，工作頻率一般在10KHz以內，其工作過程如下所述。


當MOSFET開通時，電流通過電池正極→線路引線電感→電機線圈→MOSFET→電池負極形成回路，電機線圈電流等於MOSFET中的電流

，續流二極管截止。當MOSFET關斷時，電機線圈通過二極管D1續流
，電機電流基本維持不變。但MOSFET和引線電感中的電流隨著MOSFET的關斷而迅速變為零，在線路引線電感中產生很大的感應電勢LWdi/dt，其方向如圖1b中紅色箭頭所示。這樣的感應電勢與電池的電壓疊加會產生很高的尖峰電壓，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，係統的可靠性就會因此而大大降低。

通過調整MOSFET的PWM占空比就可以在電機的線圈中得到不同的平均電流，從而實現電機的無級調速。

2 MOSFET的功耗計算

圖2為電動工具中MOSFET(AOT500)的開關波形。


MOSFET的功率損耗由導通損耗和開關損耗組成，分別如下：

⑴ 導通損耗 ⑵ 開關損耗

由於MOSFET開通時有相對較大的電機線圈電感存在
，MOSFET由關斷狀態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。關斷損耗如下：
其中：VCLAMP為MOSFET關斷時鉗位電壓，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： 其中 TJ 為MOSFET的極點溫度，TC為MOSFET的表麵溫度，RTHJC為MOSFET的熱阻。

由上式可知

，對於一個確定的係統來說
，要想降低MOSFET的極點溫度，我們有以下幾種途徑：⑴ 選擇具有較低RDS(ON)和較低RTHJC的MOSFET。⑵ 設置合適的MOSFET關斷速度，盡量使開關損耗最小。⑶ 盡量減小主回路的引線電感。因為在每一次關斷過程中，回路引線電感中的能量都將被MOSFET吸收。
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3 影響MOSFET可靠性的因素及MOSFET的選擇

從MOSFET應用的角度，影響MOSFET可靠性的因素有以下幾方麵：⑴ MOSFET的極點溫度
，過高的極點溫度會影響MOSFET的可靠性，使MOSFET提前失效。⑵ MOSFET漏極上的電壓尖峰如果超過其雪崩擊穿電壓，則MOSFET也會提前失效。

因此，我們必須合理地設計電動工具電路且選擇適合電動工具應用的MOSFET。

如果選擇自鉗位MOSFET，如AOT500，其采用先進的TRANCH溝道工藝設計生產
，導通電阻最大值僅5.3毫歐
，且其帶有VDS電壓自鉗位功能
，非常適合電動工具的應用。


自鉗位MOSFET的漏柵極間集成了一齊納穩壓管，如圖3所示。當漏極電壓大於鉗位電壓時，漏柵極間齊納穩壓管裏會流過很小的電流
，通過柵極電阻產生電壓降，當電壓降大於MOSFET開啟電壓VTH時，MOSFET會打開並將漏極電壓鉗位
，確保MOSFET不會處於雪崩狀態。圖4(a)和4(b)是分別使用非鉗位MOSFET和鉗位MOSFET在電動工具係統中所測得的波形，如果使用非鉗位MOSFET，則最高點壓可達72V，MOSFET有可能處於雪崩狀態，這種情況下最好使用高耐壓的MOSFET。使用AOT500則電壓被鉗位在40V，係統中的尖峰明顯減少，係統的可靠性大大提高。


圖5為AOT500在電動工具中的堵轉試驗時間對比

，可以看出，AOT500能承受的堵轉時間比其它的電動工具常用的MOSFET要長很多

，大大提高了電動工具的可靠性。


4 結論

⑴ 盡量減小線路的寄生電感
，特別是引線電感，使MOSFET在關斷時吸收的能量最小；
⑵ 提高MOSFET的關斷速度
，減小關斷損耗；
⑶ 選擇自鉗位MOSFET

，提高係統的可靠性。