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。

谢谢观看。

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。

谢谢观看。