硬件过流点怎么选?

原创 转子磁场定向 2024-12-04 16:23

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时常有小伙伴来问,控制器的过流点怎么选?

其实这个问题更多是偏向于硬件设计,尤其很多小伙伴欠缺项目经验,会对这个有所疑惑。

过流点是触发过流保护的门槛值,这个值如果选小了,那么在正常工作情况下容易误保护,或者没有充分利用控制器的硬件能力,有些浪费。

如果过流点选的偏大,那么有可能导致保护不及时,造成控制器损坏,炸机,逆变器开关元器件失效,主要是MOSFET/IGBT/SiC/GaN.

实际项目中,如何选取过流点呢?

以工业级变频器为例,400A的IGBT,没有并联使用。

实际使用过程中,逆变器输出到电机的额定线电流是有效值150~200A左右,幅值220~290A左右。

一般变频器会要求60s承受1.5倍过载,3s承受2倍过载。

所以过载的峰值电流会达到440~600A左右。

按照以往的经验,过流点会选在4倍额定电流附近,所以过流点大概是700A左右。

通过以上选型可以看到,要充分考虑到实际工况,不能在瞬态过载时误触发过流保护,保证正常的工况能运行。

在这个条件基础上,适当提高即可设置合理的过流保护触发点。

再说到低压控制器,比如24V/300W,线电流有效值大概12A,考虑到瞬态加速,最大Iq幅值限制在30A,那么瞬态相电流幅值会超过30A。

所以过流点在30A的基础上,需要放大,比如40A或者50A,根据实际测试,保证MOS不坏的前提下尽量不影响控制器工作。

重点需要注意的是:不论是相电流保护,还是直流电流保护,其实这两个电流的最大幅值的绝对值是一致的。后面的文章会考虑解释这个问题。

逆变器开关器件如何选取呢?

现在无论是MOSFET还是IGBT的选型,都有很多参考选型。

在经验设计的基础上,最终是通过实际测试来判定设计是否合理。

重点包括:

温升测试,温升直接决定了设计能否通过,器件可靠性是否有保障;

EMC测试,逆变器器件的开关速度会影响辐射,同时影响温升。

短路保护,不同的开关器件,过流保护承受的极限是不同的。

尤其需要注意的是,同样的功率,不同的工况下,开关器件选型会有较大差异。

比如24V/300W的机械臂,因为关节电机是密闭空间,极限环温高达60°C。发热大,散热难,所以一般会选取7mhom左右的MOS。

但是如果是24V/300W的风机水泵,是可以使用12mohm左右的MOSFET,因为散热条件比机械臂好很多。

哪怕是同样的内阻或者电流值,不同的封装,其散热能力,短路耐受能力也有较大差异。比如TOLL封装的SOA,过载,散热能力是明显好于PQFN-5X6封装,当然价格也贵一些。

尤其需要提醒大家的是,很多人喜欢以MOSFET的电流来评估其过载能力,其实这个数据并没有很大的参考性:

以上图为例,第一栏是保证壳温25°C条件下测试出的负载电流,第二栏是保证壳温是100°C条件下测试的负载电流。

上图数据的测试方法, 是把MOSFET放在一个很大的散热器上,尺寸远远超过实际产品可以承受的尺寸,同时可能还有强迫风冷,才能保证壳温固定在某温度。在这个情况下,不断加电流,只要壳温稳定,就标定出了当前工况下持续电流。

所以这种标出来的数据,是在散热工况远远好于实际工况的前提下测试的,参考性不足。

上图对应的MOS,实际使用,贴片封装,靠FR4散热,实际持续负载电流不会超过8A。

那么小伙伴问,实际应该看什么指标呢?

应该在壳温100°C条件下标注的电流,打折的情况下去选型,同时结合以往的设计经验,再经过温升等各项测试评估是否可行。

还要考虑封装,FR4还是铝基板,是否风冷,过载倍数等情况。

开关器件哪些因素影响过流点呢?

一个是标注的电流,比如脉冲式流过drain的电流,如下图,一般过流点不会超过这个电流:

MOSFET当前的结温,不同的结温下,同样的瞬态大电流,导致的最大结温是有区别的。

MOSFET的SOA:

不同的Vds下,不同的电流,耐受时间不一样。另外不同规格的器件,SOA范围是完全不同的。

过流时的工况,如果超出了SOA标注范围,导致器件失效,属于不合理的应用设计导致失效。

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转子磁场定向 十余年FOC开发经验,精通永磁同步电机和三相异步电机无感FOC控制。
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