关于无刷电机控制器热设计

 

    摘要：本文介绍了电动

自行车

无刷电机控制器的热设计。其中包括控制器工作原理的介

绍、

MOSFET 功率损耗的计算、热模型的分析、稳态温升的计算、导热材料的选择、热仿真等。 

    1. 引言 

    由于功率 MOSFET 具有驱动电流小、开关速度快等优点，已经被广泛地应用在电动车的
控制器里。但是如果设计和使用不当，会经常损坏

MOSFET，而且一旦损坏后 MOSFET 的

漏源极短路，晶圆通常会被烧得很严重，大部分用户无法准确分析造成

MOSFET 损坏的原

因。所以在设计阶段，有关

MOSFET 的可靠性设计是致关重要的。 

    MOSFET 通常的损坏模式包括：过流、过压、雪崩击穿、超出安全工作区等。但这些原因导
致的损坏最终都是因为晶圆温度过高而损坏，所以在设计控制器时，热设计是非常重要的 。
MOSFET 的结点温度必须经过计算，确保在使用过程中 MOSFET 结点温度不会超过其最大
允许值。

 

    2. 无刷电机控制器简介 

    由于无刷电机具有高扭矩、长寿命、低噪声等优点，已在各领域中得到了广泛应用，其工
作原理也已被大家广为熟知，这里不再详述。国内电动车电机控制器通常工作方式为三相六
步，功率级原理图如图

1 所示，其中 Q1, Q2 为 A 相上管及下管；Q3, Q4 为 B 相上管及下

管；

Q5, Q6 为 C 相上管及下管。MOSFET 全部使用 AOT430。 MOSFET 工作在两两导通方式，

导通顺序为

Q1Q4→Q1Q6→Q3Q6→Q3Q2→Q5Q2→Q5Q4→Q1Q4，控制器的输出通过调整

上桥

PWM 脉宽实现，PWM 频率一般设置为 18KHz 以上。

    当电机及控制器工作在某一
相时（假设

B 相上管 Q3 和 C

相下管

Q6），在每一个

PWM 周期内，有两种工作状
态：

 

    状态 1: Q3 和 Q6 导通, 电流 I1 经 Q3、电机线圈 L、Q6、电流检测电阻 Rs 流入地。 

    状态 2: Q3 关断, Q6 导通, 电流 I2 流经电机线圈 L、Q6、Q4， 
此状态称为续流状态。在状态

2 中，如果 Q4 导通，则称控制器为同步整流方式。如果 Q4 关

断，

I2 靠 Q4 体二极管流通，则称为非同步整流工作方式。 

    流经电机线圈 L 的电流 I1 和 I2 之和称为控制器相电流，流经电流检测电阻 Rs 的平均电
流

I1 称为控制器的线电流，所以控制器的相电流要比控制器的线电流要大。 

    3. 功耗计算 

    控制器 MOSFET 的功率损耗随着电机负载的加大而增加，当电机堵转时，控制器的