电动车无刷电机控制器短路的工作模型

议题内容：

电动车无刷电机控制器短路的工作模型
控制器在短路时MOSFET的工作状态
计算MOSFET瞬态温升的计算公式
设定短路保护时间的原则
解决方案：

温升公式：Tj = Tc + P × Rth(jc)
根据单脉冲的热阻系数确定允许的短路时间
工作温度越高短路保护时间就应该越短
1 短路模型及分析

短路模型如图1所示，其中仅画出了功率输出级的A、B两相（共三相）。Q1和Q3为A相MOSFET，Q2和Q4为B相MOSFET，所有功率MOSFET均为AOT430。L1为电机线圈，Rs为电流检测电阻。

当控制器工作时，如电机短路，则会形成如图1中所示的流经Q2，Q3的短路电流，其电流值很大，达几百安培，MOSFET的瞬态温升很大，这种情况下应及时保护，否则会使MOSFET结点温度过高而使MOSFET损坏。短路时Q3电压和电流波形如图2所示。图2a中的MOSFET能承受45us的大电流短路，而图2b中的MOSFET不能承受45us的大电流短路，当脉冲45us关断后，Vds回升，由于温度过高，仅经过10us的时间MOSFET便短路，Vds迅速下降,短路电流迅速上升。由图2我们可以看出短路时峰值电流达500A，这是由于短路时MOSFET直接将电源正负极短路，回路阻抗是导线，PCB走线及MOSFET的Rds（on）之和，其数值很小，一般为几十毫欧至几百毫欧。

2 计算合理的保护时间

在实际应用中，不同设计的控制器，其回路电感和电阻存在一定的差别以及短路时的电源电压不同，导致控制器三相输出线短路时的短路电流各不相同，所以设计者应跟据自己的实际电路和使用条件设计合理的保护时间。
短路保护时间计算步骤：

2．1 计算MOSFET短路时允许的瞬态温升

因为控制器有可能是在正常工作时突然短路，所以我们的设计应是基于正常工作时的温度来计算允许的瞬态温升。MOSFET的结点温度可由下式计算：

Tj = Tc + P × Rth(jc)
其中：

Tc：MOSFET表面温度
Tj：MOSFET结点温度
Rth（jc）：结点至表面的热阻，可从元器件Date sheet中查得。


理论上MOSFET的结点温度不能超过175℃，所以电机相线短路时MOSFET允许的温升为：Trising = Tjmax - Tj = 175-109 = 66℃。