电动工具由于其设计轻巧、动力强劲、使用方便等优点，在各种场合得到了广泛的应用。电动工具一般采用直流有刷电机配合电子无级调速电路实现，具有起动灵敏并可正反调速等功能，如手电钻、电动起子等。无级调速电路一般采用PWM工作方式来实现。由于电机的内阻较小，一般只有一百多毫欧，因此，在PWM开通期间的峰值电流很大；在PWM关断时由于高di/dt在线路引线电感上产生的高感应电压，都对系统中的MOSFET的强壮性提出了很高的要求。本文就如何优化开关波形以及如何选择合适的MOSFET做一些分析。

　　

驱动电路工作原理

 

图1为电动工具及控制器的结构图。图中驱动电路通常由芯片555组成，工作频率一般在10KHz以内，其工作过程如下所述。

 

图1：电动工具及控制器的结构图

(a) 电动工具； (b) 电动工具控制器电路示意图

 

当MOSFET开通时，电流通过电池正极→线路引线电感→电机线圈→MOSFET→电池负极形成回路，电机线圈电流等于MOSFET中的电流，续流二极管截止。当MOSFET关断时，电机线圈通过二极管D1续流，电机电流基本维持不变。但MOSFET和引线电感中的电流随着MOSFET的关断而迅速变为零，在线路引线电感中产生很大的感应电势L_W di/dt，其方向如图1b中红色箭头所示。这样的感应电势与电池电压叠加会产生很高的尖峰电压，如图2中的红色部分。如果这些尖峰电压超过MOSFET的击穿电压，将会导致系统可靠性大幅降低。通过调整MOSFET的PWM占空比可以在电机线圈中得到不同的平均电流，从而实现电机的无级调速。

　

 

图2：电动工具中MOSFET的开关波形

(a) MOSFET的开关波形；(b) 开通波形； (c) 关断波形　

　　

MOSFET的功耗计算

 

图2为电动工具中MOSFET(AOT500)的开关波形。MOSFET的功率损耗由导通损耗和开关损耗组成，分别如下：

 

⑴ 导通损耗

　　

其中，

 

⑵ 开关损耗

　　

由于MOSFET开通时有相对较大的电机线圈电感存在，MOSFET由关断状态到完全打开的过程中流过MOSFET的电流很小，所以开通损耗很小，可以忽略。关断损耗如下：

 

其中：V_CLAMP为MOSFET关断时的钳位电压，E为电池电压，L_W为线路电感。

 

MOSFET的总损耗为：

 

　　　　　

MOSFET的极点温度为：

　　

 

其中: T_J 为MOSFET的结点温度，T_C为MOSFET的表面温度，

R_THJC为MOSFET的热阻。


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