交流調(diào)速控制器MOSFET 功率管選型與發(fā)熱分析

王愛榮，康少華，張學(xué)玲

(軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津300161)

在交流調(diào)速控制器中，MOSFET 功率管既是主要的控制器件，也是主要的發(fā)熱器件，是一種電壓控制型電子開關(guān)器件，能以較小的控制功率獲取較大的驅(qū)動功率，且其開關(guān)速度也較快。因此，在設(shè)計控制器時，MOSFET 功率管型號的選擇對控制器電路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。

1 MOSFET 功率管選型

1.1 MOSFET 功率管基本型號的確定

根據(jù)控制器的2 個重要參數(shù)—電壓80 V 和電流400 A，選擇耐壓值時，考慮控制器的回饋充電電壓，為了避免MOSFET 功率管擊穿，其耐壓值應(yīng)選取工作電壓的2 倍以上，查閱MOSFET 功率管的使用手冊，可選擇耐壓值為150 V 的MOSFET功率管。根據(jù)耐壓值，選定IRF 公司的IRFS4321型和INFINEON(英飛凌)公司的IPB065N15N3 型MOSFET 功率管進(jìn)行對比分析(見表1)。

表1 2 種MOSFET 功率管基本參數(shù)

1.2 MOSFET 功率管并聯(lián)數(shù)量的確定

單只MOSFET 功率管的過流能力有限，為了得到大的驅(qū)動功率，必須提高過流能力，一般采用多只MOSFET 功率管并聯(lián)來增加驅(qū)動功率。

并聯(lián)MOSFET 功率管時，必須解決好多只MOSFET 功率管并聯(lián)驅(qū)動、均流和多只MOSFET 功率管并聯(lián)導(dǎo)通的一致性問題［1］。并聯(lián)的數(shù)量越多，解決問題的難度越大。因此，合理選擇單只MOSFET 功率管的過流能力，是設(shè)計控制器的關(guān)鍵。一般安全系數(shù)大于2，所以選定MOSFET 功率管的總電流在900 A 以上。

并聯(lián)MOSFET 功率管電流分配不均是由于并聯(lián)功率管的導(dǎo)通電阻Rds不相等引起的，Rds較低的功率管分擔(dān)了比平均值更大的電流。功率管的Rds具有正溫度系數(shù)，可以抑制功率管的發(fā)熱。如果并聯(lián)功率管部分承擔(dān)了更多的電流，則局部的發(fā)熱量就比較大，內(nèi)阻增加，就會把電流承擔(dān)區(qū)域轉(zhuǎn)移到相鄰區(qū)域來平衡電流密度。僅僅依靠MOSFET 功率管自身的平衡機(jī)制不足以降低器件的工作溫度。因此，解決并聯(lián)均流和導(dǎo)通的一致性問題，可以采取以下方法:

(1)嚴(yán)格匹配并聯(lián)MOSFET 功率管的導(dǎo)通電阻。

(2)減少驅(qū)動線長度，功率管和驅(qū)動線電路設(shè)計采取對稱布局。

(3)柵極串聯(lián)一個較小的均流電阻。

(4)將并聯(lián)功率管置于同一散熱片上，盡量靠近，保持溫度接近。

IRF 公司的IRFS4321 單只過流能力是83 A(25 ℃)，綜合多只MOSFET 功率管的均流因素和調(diào)速控制器的參數(shù)，選擇12 只功率管并聯(lián);INFINEON 公司的IPB065N15N3，單只過流能力130 A(25 ℃)，則選擇7 只功率管并聯(lián)。

2 MOSFET 功率管發(fā)熱分析

2.1 MOSFET 功率管布局分析

功率管型號和并聯(lián)數(shù)量決定了調(diào)速控制器的布局和整體結(jié)構(gòu)。MOSFET 功率管工作過程中會承受大電流，即使功率管導(dǎo)通電阻足夠小，但是整體的溫升也很快。溫升會影響調(diào)速控制器的過流能力和導(dǎo)通電阻，過高的溫度會超過功率管的承受極限，導(dǎo)致?lián)舸┖蜔龤А６嘀还β使懿⒙?lián)時，容易出現(xiàn)某只承載電流不均、溫升過快等問題，也導(dǎo)致功率管燒毀。因此，采用金屬鋁基板材，提高散熱能力，解決溫升過高和過快問題，還可以解決熱脹冷縮問題。其技術(shù)是將MOSFET 功率管均布于板材上，通過板材和導(dǎo)熱硅脂將熱量傳送至散熱底座［2］。

2.1.1 12 只IRFS4321 并聯(lián)

調(diào)速控制器功率模塊采用三相橋壁電路，每一相上下橋壁采用12 只IRFS4321 并聯(lián)。12 只并聯(lián)MOSFET 功率管均流難度大，因此，驅(qū)動線采用中間對稱布局方式。中間對稱布局能夠減小驅(qū)動信號的損耗、布線電阻和布線電感，保證每一只MOSFET 功率管驅(qū)動信號一致和充分導(dǎo)通，確保每只功率管發(fā)熱量均勻。IRF 公司單只IRFS4321 導(dǎo)通電阻為15 mΩ，單位時間內(nèi)流經(jīng)大電流時的發(fā)熱量很大，大電流在走線電路上的發(fā)熱量也很大，因此，調(diào)速控制器的三相輸出采用中間出線的方式，使單位鋁基板銅箔面積通過電流減小，調(diào)速控制器的內(nèi)部發(fā)熱量減小。圖1 所示為12 只IRFS4321 的整體布局。

2.1.2 7 只IPB065N15N3 并聯(lián)

英飛凌公司單只IPB065N15N3 導(dǎo)通電阻為6.5 mΩ，比IRF 公司IRFS4321 減小了一半多，并聯(lián)功率管的數(shù)量為7 只，流經(jīng)同樣電流發(fā)熱量比IRFS4321 小很多。因此，驅(qū)動線采取單邊驅(qū)動方式，三相輸出采取單邊輸出方式，這樣可以簡化調(diào)速控制器整體布局。外圍大電流接線柱位于調(diào)速控制器外殼邊緣，方便調(diào)速控制器外圍接線。圖2所示為7 只IPB065N15N3 整體布局。

圖1 12 只IRFS4321 整體布局

圖2 7 只IPB065N15N3 整體布局

2.2 MOSFET 功率管熱仿真分析

調(diào)速控制器輸出最大電流(400 A)時間指標(biāo)為2 min，輸出額定電流(200 A)時間指標(biāo)為1 h。為滿足指標(biāo)，環(huán)境溫度25 ℃時，利用ANSYS 對2種情況MOSFET 功率管發(fā)熱進(jìn)行分析［4］。

2.2.1 MOSFET 功率管發(fā)熱量計算

MOSFET 功率管的功率損耗主要包括阻性損耗和開關(guān)損耗，不同工作狀態(tài)下，其阻性損耗和開關(guān)損耗所占比例是不同的。MOSFET 功率管工作在最大占空比時，輸入電壓達(dá)到最大，單位時間內(nèi)的阻性損耗最大。根據(jù)MOSFET 功率管的導(dǎo)通電阻RDS(ON)HOT和工作占空比，通過歐姆定律，近似計算它的阻性功率損耗［3］:

式中:PDRESISTIVE為MOSFET 功率管的阻性損耗;ILOAD為MOSFET 功率管漏源極電流;RDS(ON)HOT為MOSFET 功率管最高溫度時導(dǎo)通漏源極電阻;UOUT為輸出電壓;UIN為輸入電壓。

MOSFET 功率管的開關(guān)損耗計算比較困難，因它依賴于許多難以量化且通常沒有規(guī)律的因素，這些因素同時影響打開和關(guān)斷過程?？捎孟率浇乒懒磕持籑OSFET 功率管開關(guān)損耗［3］:

式中:PDSWITCHING為MOSFET 功率管開關(guān)損耗;CRSS為MOSFET 功率管反向傳輸電容(數(shù)據(jù)資料中一個參數(shù));fSW為開關(guān)頻率;IGATE為MOSFET 功率管柵極驅(qū)動器在MOSFET 功率管處于臨界導(dǎo)通(UGS位于柵極充電曲線的平坦區(qū)域)時的吸收電流。

計算2 種方案在輸出最大電流和額定電流時發(fā)熱功率，其結(jié)果見表2。

表2 2 種方案發(fā)熱功率 W

表2 數(shù)據(jù)表明，最大輸出和額定輸出狀態(tài)的發(fā)熱功率相差比較大。內(nèi)阻大、并聯(lián)數(shù)量多的功率管，單只流經(jīng)電流反而小，則發(fā)熱功率也小。

2.2.2 調(diào)速控制器最大輸出狀態(tài)

圖3 為2 種方案調(diào)速控制器最大輸出時的溫度分布輪廓。其中，方案1 的熱平衡最高溫度為64.4 ℃(如圖3(a)所示)，方案2 的熱平衡最高溫度為54.6 ℃(如圖3(b)所示)，功率管內(nèi)阻大、并聯(lián)數(shù)量多的方案2 達(dá)到熱平衡溫度更低，因此，方案2 發(fā)熱量低。

2 種方案最高溫度區(qū)域很小，溫度降低，板上區(qū)域增大，說明板與外界的熱傳導(dǎo)比較均勻，設(shè)計都是比較合理的。從溫度區(qū)域看，同一溫度輪廓區(qū)域方案2 大，說明板面積影響板散熱。

圖4 為最大輸出時熱流率分布。可以看出方案1 的最大熱流率為295 255，方案2 的最大熱流率為189 646?？梢姡迕娣e增大，最大的熱流率反而減小。另外，最高溫度區(qū)域方案2 比方案1大，方案2 比方案1 的熱流率分布更有規(guī)律，所以，熱量的分布更均勻，傳導(dǎo)更好。

圖5 為最大輸出時溫度分布梯度?？梢钥闯觯桨? 比方案1 的板面積大，相應(yīng)的溫度梯度線外廓要大，同一溫度范圍所占面積大，而且方案2 溫度梯度比方案1 要小1 個等級。所以，其溫度分布更為均勻，散熱更為良好。

圖4 最大輸出時熱流率分布

圖6 最大輸出時熱變形云圖

圖6 為最大輸出時熱變形云圖。可以看出，方案1 的最大熱變形量為0.15 ×10-5m(如圖6(a)所示)，方案2 的最大熱變形量為0.128 ×10-5m(如圖6(b)所示)，2 種方案的熱變形量極小，基本可以忽略不計。另外，2 種方案熱變形分布區(qū)域均勻，區(qū)域之間的變形量相差很小。因此，2 種方案布局的熱變形都能滿足要求。

2.2.3 調(diào)速控制器額定輸出狀態(tài)

圖7 為額定輸出時溫度分布輪郭。可以看出，調(diào)速控制器額定輸出時，方案1 熱平衡最高溫度31 ℃(如圖7(a)所示)，方案2 熱平衡最高溫度29 ℃(如圖7(b)所示)。達(dá)到熱平衡的溫度和溫度分布說明2 種設(shè)計都是合理的。

圖7 額定輸出時溫度分布輪廓

額定輸出的溫度分布梯度線(如圖8 所示)直觀地說明了溫度的分布區(qū)域。2 種方案溫度梯度線變化均勻，反映調(diào)速控制器額定工作時散熱良好。

3 結(jié) 論

圖8 額定輸出時溫度分布梯度線

(1)2 種方案表明，減小大電流調(diào)速控制器的發(fā)熱量，既可選擇少量內(nèi)阻小的MOSFET 功率管并聯(lián)，也可選擇多只內(nèi)阻大的MOSFET 功率管并聯(lián)，后者的總體發(fā)熱量要小一些。多只功率管并聯(lián)時，散熱板面積大，有利于散熱。

(2)論文設(shè)計的2 種方案發(fā)熱量都在允許范圍內(nèi)，前者發(fā)熱量大，但可優(yōu)化控制器結(jié)構(gòu)，后者發(fā)熱量小，但其結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜。

［1］ 曲學(xué)基，曲敬鎧，于曉明.逆變技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［2］ 黃智偉.印制電路板(PCB)設(shè)計技術(shù)與實踐［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［3］ 百度文庫.電源工程師指南:大功率電源中MOSFET 功耗的計算［BD/OL］. ［2014-08-02］. http://wenku. baidu.com/link?url=QrPZeiqt1Bhg5mkk CifhzUZk9Jkwg4LjS9shLk FNfJNPqbtgTyrD0wCugesnlQ-652xer7-daC-l 6IvigyQd09m xXB7ggsBq1jbFSjVEm.

［4］ 辛文彤，李志尊，胡仁喜，等. ANSYS13.0 熱力學(xué)有限元分析從入門到精通［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.