电机驱动短路保护时间设定的技术指标

功率MOSFET的最大的脉冲漏极电流、持续的时间和电机驱动及电力电子系统的过流保护、短路保护直接相关，持续时间和VGS限制了最大的脉冲漏极电流：VGS越大，最大的脉冲漏极电流越大，而持续时间越短，在实际的应用中，最大的脉冲漏极电流和持续时间是一对相互矛盾的参数，必须在两者之间做一些平衡，本文将讨论和这个技术指标相关的4个实际的细节。

1、短路保护并联均流

电动汽车和电动自行车控制器目前大量地使用中压功率MOSFET，相对而言，电动自行车的功率较低，短路保护的设计基本上可以满足实际的应用要求。但是对于电动汽车，输出功率非常大，三相全桥6组功率MOSFET，每组使用14-16管、多管并联工作，在短路大电流冲击的过程中，由于驱动电路、PCB布局和每个MOSFET的参数的差异，多管很难做到完全的并联均流，其中的某些单管会流过更大的电流，温度更高，非常容易导致短路大电流的局部集中，也就是大部分的电流从一个或少数几个功率MOSFET管中流过，从而损坏功率MOSFET。

图1：电动汽车控制器功率板

图2：电动汽车控制器

一些电动汽车控制系统的研发工程师，通过调整短路保护的延时，来保证短路发生时系统的安全性，但是带来的问题是：如果短路保护的延时过小，可能导致满载无法起动或输出不了满负载。而且，很多时候，某一个型号的控制器要卖给不同的客户，不同的客户采用的电机的参数也不相同，而且同一个客户可能采用不同厂家的电动机，这就会导致在某一个客户或某一个客户的某一个机型，控制器的延时调到和电动机匹配得比较好，而采用同样的延时的控制器，在这个客户的其它机型或另一个客户那里，系统就可能出现问题，要么无法有效的实现短路保护，要么满载无法起动或无法输出满负载。

因此，必须从系统和产品二个方面，来做优化的设计，使系统满足设计的要求。

2、短路保护的方式

通常采用MOSFET饱和的短路电流，使用单脉冲持续的时间来评估功率MOSFET抗短路冲击的性能。从图3的应用测试波形可以看到，在短路过程中，发生了连续多个短脉冲的冲击，每个短脉冲持续时间为2uS，满足器件单脉冲测试规范，但是器件最后还是发生损坏。对于器件本体参数的测试，即便是使用多脉冲，通常一个脉冲结束后，硅片的温度回到常温，然后再加下一个脉冲，就是不考虑多脉冲能量累积的效应，但是，如果实际的应用中，发生了能量的累积效应，那么单脉冲的测试结果，就不能完全保证这样的短路条件下，系统仍然可靠不发生损坏。

图3：短路保护工作波形

但是，单脉冲的测试结果仍然具有参考价值，它为评估不同器件的短路性能提供了标准和对比，单脉冲短路性能强的器件，在多脉冲的条件，同样具有更强的短路性能。

3、单脉冲电流和实际短路保护的大电流

前面分析过，测试单脉冲短路性能时，功率MOSFET工作在线性区，也就是放大区，而在有些实际的应用中，系统短路时，虽然短路电流比较大，但是功率MOSFET并没有工作在线性区，因此，这种条件下的短路和器件级的短路所表现的性能是不同的。

系统短路时，如果功率MOSFET仍然工作在完全导通状态，那么可以通过功耗来校核结温，另一个方面，要考虑到雪崩UIS问题。

4 、PCB布局和短路保护问题

通常在系统的输入端有大电容提供负载电源，输入电容到功率MOSFET桥臂上下端会有杂散电感，很多研发工程师发现：如果这个输入回路的杂散电感大，短路电流就会降低，但是MOSFET的VDS的尖峰电压会提高。反过来，输入回路的杂散电感小，短路电流就会增加，MOSFET的VDS的尖峰电压会降低。两者相矛盾，这需要研发工程师做一些平衡。

在设计过程中，特别是对于输出功率较大的系统，通常是尽可能的减小回路杂散电感来减小尖峰电压和EMI的影响，同时可以提高系统的效率，而短路保护通过调节短路的延时和控制方式来保证。

5、驱动电压调整

驱动电压VGS越高，短路电流越大，持续时间也就越短，那么就可以通过适当的降低驱动电压，降低短路电流，从而给功率MOSFET提供更长的短路保护的时间，提高其工作的安全性。当然，带来的问题就是需要额外的电路，来调整驱动的电压。（本文摘自《今日电子》，作者：刘松）