基于MOSFET 的電動(dòng)汽車(chē)電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

尹百通，龔元明

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

隨著近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的興起，汽車(chē)電子化程度越來(lái)越高，傳統(tǒng)繼電器上電磁干擾與電弧灼燒現(xiàn)象的弊端逐漸顯現(xiàn)出來(lái)[1]，而MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)管)是多數(shù)載流子導(dǎo)電的電壓控制器件，具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、高頻性能好等優(yōu)勢(shì)[2]，在各類(lèi)電源開(kāi)關(guān)尤其電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用廣泛[3]。本文詳細(xì)介紹開(kāi)關(guān)電源的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，其中著重闡述了MOSFET 驅(qū)動(dòng)器與MOSFET 的匹配設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)特性，最后，將電源開(kāi)關(guān)放置在不同的電流下進(jìn)行耐受能力測(cè)試。

1 電源開(kāi)關(guān)總體設(shè)計(jì)與工作原理

電源開(kāi)關(guān)總體可以分為五個(gè)模塊：電源穩(wěn)壓模塊、溫度采集模塊、光耦隔離模塊、MOSFET 驅(qū)動(dòng)器模塊及MOSFET 工作模塊。

相較于之前的開(kāi)關(guān)電源電路[4]，其突出優(yōu)勢(shì)為：(1)MOSFET 選用的是ATOOL66608 型號(hào)，具有通大電流、低阻值的顯著特點(diǎn)；(2)增加了TC4432 驅(qū)動(dòng)器，可以為MOSFET 提供更高的驅(qū)動(dòng)電流，有效提高開(kāi)關(guān)速度[5-6]；(3)通過(guò)光耦隔離的方式，有效減少外界噪聲和電磁信號(hào)的干擾。

電源開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 電源開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

電源開(kāi)關(guān)工作原理：(1)首先接入12 V 電壓，經(jīng)電源穩(wěn)壓模塊，將電壓轉(zhuǎn)換為5 V。(2)5 V 電壓經(jīng)光耦隔離模塊以及DC/DC 芯片，將電壓升高為9 V 電壓，為MOSFET驅(qū)動(dòng)器供電。(3)控制信號(hào)通過(guò)光耦隔離模塊將信號(hào)傳送到MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，從而控制MOSFET 的快速通斷[7]。

2 電源開(kāi)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

電源開(kāi)關(guān)的主要模塊由電源穩(wěn)壓模塊、溫度采集模塊、光耦隔離模塊、MOSFET 驅(qū)動(dòng)器模塊、MOSFET 工作模塊這五部分組成。其中最重要的是MOSFET 驅(qū)動(dòng)器模塊，它關(guān)系到MOSFET 開(kāi)關(guān)速率的快慢。

2.1 電源穩(wěn)壓模塊

電源芯片選用的型號(hào)是LM2596-5，它是一款開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的芯片，該芯片具有出色的線(xiàn)路和負(fù)載調(diào)節(jié)能力，能夠驅(qū)動(dòng)3 A 的負(fù)載。在Vin端通入12 V 電壓后，芯片Vout引腳輸出的電壓為5 V，為內(nèi)部其他元件供電。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，在Vin端加入兩個(gè)濾波電容，在輸出端加一個(gè)肖特基二極管1N5819，提供過(guò)壓保護(hù)，RC 電路用于整流濾波。此電源電路輸入電壓范圍廣，輸出電壓穩(wěn)定，具有低功耗模式和熱關(guān)斷限流保護(hù)，以至于不需要散熱器[8]。電源穩(wěn)壓模塊如圖2 所示。

圖2 電源穩(wěn)壓模塊

2.2 溫度采集模塊

此模塊選用的是LM50 芯片，具有良好的溫度檢測(cè)，工作原理是將采集到的溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓數(shù)值輸出[9]。為了能更加準(zhǔn)確地測(cè)量MOSFET 的實(shí)際溫度，將溫度傳感器布置在靠近MOSFET 并在同一平面上，要求具備良好的耐熱性和穩(wěn)定性。溫度傳感器原理參考圖如圖3 所示。

圖3 溫度采集模塊

2.3 光耦隔離模塊

為了消除電容的耦合效應(yīng)，輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)必須經(jīng)過(guò)光耦器件的隔離才可以作為MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的控制輸入信號(hào)，光耦器件可以提供較高的隔離電壓和信號(hào)傳輸頻帶，具有不錯(cuò)的電氣隔離效果。使用時(shí)，光耦器件兩側(cè)需要兩個(gè)不同的供電電壓，尤其是輸出端需要一個(gè)單獨(dú)的供電電壓來(lái)輸出控制信號(hào)，此時(shí)需要電路中的DC-DC升壓芯片來(lái)作為另一個(gè)供電電壓。

采用光電隔離方法來(lái)作為驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)輸入，如圖4 所示，光耦隔離電路由光耦隔離器件和DC-DC 升壓芯片組成。隔離電壓不僅為光耦隔離芯片供電，而且也很好地為MOSFET 驅(qū)動(dòng)器供電[10]。當(dāng)需要導(dǎo)通和斷開(kāi)MOSFET 的操作時(shí)，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)光耦隔離芯片，將信號(hào)傳到MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，由MOSFET 驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制MOSFET 的導(dǎo)通與斷開(kāi)。

圖4 光耦隔離電路

2.4 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器

按照該場(chǎng)效應(yīng)管的管芯尺寸與電壓或電流，在對(duì)該驅(qū)動(dòng)器與場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行配對(duì)時(shí)將會(huì)面臨較大困難。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要遴選合適的驅(qū)動(dòng)器，此時(shí)需要對(duì)以下參量進(jìn)行考慮：電流驅(qū)動(dòng)能力、傳輸延時(shí)、靜態(tài)電流等。對(duì)驅(qū)動(dòng)器遴選也受到其功率耗用影響。隨后對(duì)該場(chǎng)效應(yīng)管的工作頻率與柵極電荷有關(guān)聯(lián)性的驅(qū)動(dòng)器功耗進(jìn)行分析，同時(shí)分析按照該元件的導(dǎo)通、截止時(shí)間，將驅(qū)動(dòng)器與柵極電荷進(jìn)行更好地匹配[11-13]。

2.4.1 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的功耗

在對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管柵極進(jìn)行充放電時(shí)，都要得到相同能量支持，不管充放電有著怎樣的快慢過(guò)程，譬如柵極電壓的增長(zhǎng)與下降，為此，該驅(qū)動(dòng)器電流驅(qū)動(dòng)能力并不會(huì)對(duì)其柵極容性負(fù)載所涉及的驅(qū)動(dòng)器功耗產(chǎn)生不利影響。

該驅(qū)動(dòng)器功耗主要構(gòu)成包括：

(1)該柵極電容充放電所形成的功耗：

其中，CG為MOSFET 柵極電容；VDD為MOSFET 驅(qū)動(dòng)器電源電壓(V)；F為開(kāi)關(guān)頻率。

(2)該驅(qū)動(dòng)器對(duì)靜態(tài)電流進(jìn)行吸收，由此形成的功耗為：

其中，IQH、IQL依次為驅(qū)動(dòng)器輸入為高、低電平，開(kāi)關(guān)波形占空比則是D。

(3)該驅(qū)動(dòng)器交越導(dǎo)通電流所形成的功耗：

其中，CC為交越常數(shù)(A*sec)。

為了獲取式(1)的值，就需要對(duì)該場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電容進(jìn)行查詢(xún)，它又涉及兩個(gè)電容，即柵極與柵漏電容，后者又可以稱(chēng)作米勒電容。通常，較容易犯錯(cuò)的就是將MOSFET 輸入電容(亦即是CISS)用作該場(chǎng)效應(yīng)管的總柵極電容。對(duì)該柵極電容進(jìn)行確認(rèn)的方法就是總柵極電容，用QG表示。這類(lèi)信息通常在場(chǎng)效應(yīng)管的典型特性曲線(xiàn)之中。

表1 展示的是60 V、400 A、N溝道MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型實(shí)例。數(shù)據(jù)表中的給定數(shù)值，與對(duì)應(yīng)的測(cè)試條件(也就是漏極與柵極電壓)具有相關(guān)性，這些測(cè)試條件將會(huì)對(duì)柵極電荷值帶來(lái)明顯影響。

表1 數(shù)據(jù)手冊(cè)中柵極電荷的表示

圖5 展示了該場(chǎng)效應(yīng)管在測(cè)試環(huán)境下柵極電荷所呈現(xiàn)出來(lái)的典型特征曲線(xiàn)，從而確保該功耗的柵極電荷值也能很好滿(mǎn)足使用條件。

圖5 總柵極電荷-柵源電壓(60 V，400 A，N 溝道MOSFET)

對(duì)圖5 曲線(xiàn)進(jìn)行分析，在VGS=10 V 成立下，該總柵極電荷即為205 nC(VDS=30 V)。利用Q=C·V 關(guān)系式，計(jì)算出柵極電容為20.5 nF，這顯著高于表1 給出的14.2 nF的輸入電容。這意味著，對(duì)此柵極電容進(jìn)行計(jì)算時(shí)，能夠利用總柵極電荷來(lái)對(duì)相應(yīng)的電容進(jìn)行推導(dǎo)。倘若是通過(guò)該柵極電荷最大值對(duì)最壞情形進(jìn)行設(shè)計(jì)，此值就需要按照設(shè)計(jì)的柵源與漏源電壓加以動(dòng)態(tài)調(diào)整。

通過(guò)表1 所提出的該場(chǎng)效應(yīng)管信息作為案例，在VGS達(dá)到10 V，該開(kāi)關(guān)頻率也就是F為0.25 MHz，而漏源電壓則是30 V，該場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電容充放電就會(huì)形成該驅(qū)動(dòng)器的功耗，具體如下：

2.4.2 峰值電流驅(qū)動(dòng)的需求

對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行分析，需要對(duì)其內(nèi)外要素進(jìn)行綜合考慮，分析它們對(duì)該驅(qū)動(dòng)器所帶來(lái)的功耗。為此，需要對(duì)其功耗進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，然后再選擇合適的封裝模式，并對(duì)結(jié)溫進(jìn)行計(jì)算[14-15]。

該場(chǎng)效應(yīng)管需要和其驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行匹配，此時(shí)需要結(jié)合其導(dǎo)通與截止速度來(lái)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。而這種速度與柵極電容充放電速度關(guān)系緊密。場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電容、導(dǎo)通、截止時(shí)間等，和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流存在密切關(guān)系，具體如下：

其中：Td為導(dǎo)通/截止時(shí)間，Vd為柵極電壓，C為柵極電容，I為峰值驅(qū)動(dòng)電流。

已知柵極電荷的關(guān)系為：

公式可以轉(zhuǎn)化為：

其中：Q為總柵極電荷。

以下就是借助于設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)該驅(qū)動(dòng)器的峰值電流進(jìn)行運(yùn)算。

MOSFET 柵極電荷(Q)=50 nC

MOSFET 柵極電壓(Vd)=10 V

導(dǎo)通/截止時(shí)間(Td)=40 ns

代入前面的公式中：

通過(guò)該公式，可以算出峰值驅(qū)動(dòng)電流為1.25 A。其中柵極驅(qū)動(dòng)電壓大小為10 V，在對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行遴選之際，該參量需要得到充分的考慮，為此，該峰值輸出電流即為1.5 A 的驅(qū)動(dòng)器。

2.4.3 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的選擇

MOSFET 驅(qū)動(dòng)器最終選擇的型號(hào)為T(mén)C4432，它是30 V CMOS 驅(qū)動(dòng)器，其功耗只有470 mW，適用于高端驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。它具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

(1)高容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力；

(2)高峰值輸出電流：1.5 A；

(3)輸入電壓范圍廣：4.5 V 至30 V;

(4)延遲時(shí)間短：小于78 ns；

(5)輸出阻抗低：7 Ω；

(6)靜電釋放保護(hù)：4 kV。

MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的控制輸入支持TTL/CMOS 兼容輸入，驅(qū)動(dòng)輸出有獨(dú)立的拉電流和灌電流輸出引腳，可以提供3 A 峰值電流到容性負(fù)載和吸收來(lái)自容性負(fù)載的1.5 A 峰值電流。

2.5 MOSFET 工作模塊

由于此電源開(kāi)關(guān)需要通過(guò)較大的電流，電路設(shè)計(jì)采用MOSFET 并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的分流，減小單個(gè)MOSFET 的電流壓力[16]，因此選用N 溝道增強(qiáng)型MOS 管(AOTL66608)，其漏源電壓為60 V、額定電流可達(dá)400 A、導(dǎo)通電阻低至0.85 mΩ。驅(qū)動(dòng)器及場(chǎng)效應(yīng)管模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)制圖如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)器及MOSFET 模塊

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

3.1 試驗(yàn)說(shuō)明

試驗(yàn)?zāi)康臑闇y(cè)試MOSFET 電源開(kāi)關(guān)的電流耐受能力。將電源開(kāi)關(guān)串聯(lián)在電池包與充放電機(jī)電流回路負(fù)極主線(xiàn)上,閉合電源開(kāi)關(guān)后,對(duì)電池包進(jìn)行充放電,讓電流持續(xù)恒流通過(guò)電源開(kāi)關(guān)以測(cè)試其電流耐受能力,每次測(cè)試過(guò)程中電源開(kāi)關(guān)始終保持閉合狀態(tài)。

如圖7 所示，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，電源開(kāi)關(guān)溫度最高點(diǎn)為內(nèi)部溫度采集芯片溫度，對(duì)此處進(jìn)行溫度采集可以反映整個(gè)繼電器的最高溫度(T3)。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中需記錄下電流和溫度等信息以衡量電源開(kāi)關(guān)的過(guò)電流能力。

圖7 電源開(kāi)關(guān)溫度監(jiān)控點(diǎn)示意圖

3.2 持續(xù)過(guò)電流測(cè)試(室溫)

采用恒流充放交替(比如250 A 10 s 充電，再250 A 10 s 放電，如此循環(huán)，理論上跟恒流一樣)來(lái)對(duì)電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行持續(xù)過(guò)電流測(cè)試。

(1)250 A 恒流試驗(yàn)

250 A 恒流測(cè)試流程圖如圖8 所示，試驗(yàn)記錄的溫度值如表2 所示。溫度變化曲線(xiàn)如圖9 所示。

圖8 250 A 恒流測(cè)試流程圖

圖9 溫度-時(shí)間曲線(xiàn)(250 A 恒流)

表2 250 A 恒流試驗(yàn)記錄值

T3為電源開(kāi)關(guān)內(nèi)部溫度(也是電源開(kāi)關(guān)最高溫度點(diǎn))，從試驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束溫度始終低于它的最高承受上限溫度80 ℃，外加的NTC 靈敏度和布置位置影響，曲線(xiàn)中的值始終比溫度傳感器值略低，越到末端溫差越大。250 A恒流最終截止時(shí)溫度差異為3 ℃。

(2)375 A 恒流試驗(yàn)

375 A 恒流試驗(yàn)記錄的溫度值如表3 所示。溫度變化曲線(xiàn)如圖10 所示。

表3 375 A 恒流測(cè)試記錄值

圖10 溫度-時(shí)間曲線(xiàn)(375 A 恒流)

T3為電源開(kāi)關(guān)內(nèi)部溫度(也是電源開(kāi)關(guān)最高溫度點(diǎn))，從試驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束溫度始終低于它的最高承受上限溫度80 ℃。外加的NTC 靈敏度和布置位置影響，曲線(xiàn)中的值始終比溫度傳感器值略低，越到末端溫差越大。375 A恒流最終截止時(shí)溫度差異為14 ℃。

通過(guò)上述試驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證該電源開(kāi)關(guān)可以在375 A大電流下穩(wěn)定工作。

4 結(jié)論

本文針對(duì)繼電器的電磁干擾和電弧灼燒現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一款基于MOSFET 的電源開(kāi)關(guān)。對(duì)電源開(kāi)關(guān)的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并詳細(xì)闡述了MOSFET 驅(qū)動(dòng)器選型設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)器的工作特性，最后通過(guò)恒流試驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證電源開(kāi)關(guān)的耐受能力符合要求。