尹百通，龔元明

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620)

0 引言

隨著近年來電動汽車的興起，汽車電子化程度越來越高，傳統(tǒng)繼電器上電磁干擾與電弧灼燒現(xiàn)象的弊端逐漸顯現(xiàn)出來[1]，而MOSFET(場效應管)是多數(shù)載流子導電的電壓控制器件，具有輸入阻抗高、開關速度快、高頻性能好等優(yōu)勢[2]，在各類電源開關尤其電動汽車上應用廣泛[3]。本文詳細介紹開關電源的工作原理和結構組成，其中著重闡述了MOSFET 驅動器與MOSFET 的匹配設計以及驅動器的相關特性，最后，將電源開關放置在不同的電流下進行耐受能力測試。

1 電源開關總體設計與工作原理

電源開關總體可以分為五個模塊：電源穩(wěn)壓模塊、溫度采集模塊、光耦隔離模塊、MOSFET 驅動器模塊及MOSFET 工作模塊。

相較于之前的開關電源電路[4]，其突出優(yōu)勢為：(1)MOSFET 選用的是ATOOL66608 型號，具有通大電流、低阻值的顯著特點；(2)增加了TC4432 驅動器，可以為MOSFET 提供更高的驅動電流，有效提高開關速度[5-6]；(3)通過光耦隔離的方式，有效減少外界噪聲和電磁信號的干擾。

電源開關結構圖如圖1 所示。

圖1 電源開關結構圖

電源開關工作原理：(1)首先接入12 V 電壓，經(jīng)電源穩(wěn)壓模塊，將電壓轉換為5 V。(2)5 V 電壓經(jīng)光耦隔離模塊以及DC/DC 芯片，將電壓升高為9 V 電壓，為MOSFET驅動器供電。(3)控制信號通過光耦隔離模塊將信號傳送到MOSFET 驅動器，從而控制MOSFET 的快速通斷[7]。

2 電源開關硬件設計

電源開關的主要模塊由電源穩(wěn)壓模塊、溫度采集模塊、光耦隔離模塊、MOSFET 驅動器模塊、MOSFET 工作模塊這五部分組成。其中最重要的是MOSFET 驅動器模塊，它關系到MOSFET 開關速率的快慢。

2.1 電源穩(wěn)壓模塊

電源芯片選用的型號是LM2596-5，它是一款開關穩(wěn)壓電源的芯片，該芯片具有出色的線路和負載調節(jié)能力，能夠驅動3 A 的負載。在Vin端通入12 V 電壓后，芯片Vout引腳輸出的電壓為5 V，為內部其他元件供電。在電路設計時，在Vin端加入兩個濾波電容，在輸出端加一個肖特基二極管1N5819，提供過壓保護，RC 電路用于整流濾波。此電源電路輸入電壓范圍廣，輸出電壓穩(wěn)定，具有低功耗模式和熱關斷限流保護，以至于不需要散熱器[8]。電源穩(wěn)壓模塊如圖2 所示。

圖2 電源穩(wěn)壓模塊

2.2 溫度采集模塊

此模塊選用的是LM50 芯片，具有良好的溫度檢測，工作原理是將采集到的溫度轉換成相應的電壓數(shù)值輸出[9]。為了能更加準確地測量MOSFET 的實際溫度，將溫度傳感器布置在靠近MOSFET 并在同一平面上，要求具備良好的耐熱性和穩(wěn)定性。溫度傳感器原理參考圖如圖3 所示。

圖3 溫度采集模塊

2.3 光耦隔離模塊

為了消除電容的耦合效應，輸入開關信號必須經(jīng)過光耦器件的隔離才可以作為MOSFET 驅動器的控制輸入信號，光耦器件可以提供較高的隔離電壓和信號傳輸頻帶，具有不錯的電氣隔離效果。使用時，光耦器件兩側需要兩個不同的供電電壓，尤其是輸出端需要一個單獨的供電電壓來輸出控制信號，此時需要電路中的DC-DC升壓芯片來作為另一個供電電壓。

采用光電隔離方法來作為驅動器的控制信號輸入，如圖4 所示，光耦隔離電路由光耦隔離器件和DC-DC 升壓芯片組成。隔離電壓不僅為光耦隔離芯片供電，而且也很好地為MOSFET 驅動器供電[10]。當需要導通和斷開MOSFET 的操作時，撥動開關，電壓驅動信號經(jīng)光耦隔離芯片，將信號傳到MOSFET 驅動器，由MOSFET 驅動器來控制MOSFET 的導通與斷開。

圖4 光耦隔離電路

2.4 MOSFET 驅動器

按照該場效應管的管芯尺寸與電壓或電流，在對該驅動器與場效應管進行配對時將會面臨較大困難。在設計環(huán)節(jié)，需要遴選合適的驅動器，此時需要對以下參量進行考慮：電流驅動能力、傳輸延時、靜態(tài)電流等。對驅動器遴選也受到其功率耗用影響。隨后對該場效應管的工作頻率與柵極電荷有關聯(lián)性的驅動器功耗進行分析，同時分析按照該元件的導通、截止時間，將驅動器與柵極電荷進行更好地匹配[11-13]。

2.4.1 MOSFET 驅動器的功耗

在對場效應管柵極進行充放電時，都要得到相同能量支持，不管充放電有著怎樣的快慢過程，譬如柵極電壓的增長與下降，為此，該驅動器電流驅動能力并不會對其柵極容性負載所涉及的驅動器功耗產(chǎn)生不利影響。

該驅動器功耗主要構成包括：

(1)該柵極電容充放電所形成的功耗：

其中，CG為MOSFET 柵極電容；VDD為MOSFET 驅動器電源電壓(V)；F為開關頻率。

(2)該驅動器對靜態(tài)電流進行吸收，由此形成的功耗為：

其中，IQH、IQL依次為驅動器輸入為高、低電平，開關波形占空比則是D。

(3)該驅動器交越導通電流所形成的功耗：

其中，CC為交越常數(shù)(A*sec)。

為了獲取式(1)的值，就需要對該場效應管的柵極電容進行查詢，它又涉及兩個電容，即柵極與柵漏電容，后者又可以稱作米勒電容。通常，較容易犯錯的就是將MOSFET 輸入電容(亦即是CISS)用作該場效應管的總柵極電容。對該柵極電容進行確認的方法就是總柵極電容，用QG表示。這類信息通常在場效應管的典型特性曲線之中。

表1 展示的是60 V、400 A、N溝道MOSFET 數(shù)據(jù)手冊中的典型實例。數(shù)據(jù)表中的給定數(shù)值，與對應的測試條件(也就是漏極與柵極電壓)具有相關性，這些測試條件將會對柵極電荷值帶來明顯影響。

表1 數(shù)據(jù)手冊中柵極電荷的表示

圖5 展示了該場效應管在測試環(huán)境下柵極電荷所呈現(xiàn)出來的典型特征曲線，從而確保該功耗的柵極電荷值也能很好滿足使用條件。

圖5 總柵極電荷-柵源電壓(60 V，400 A，N 溝道MOSFET)

對圖5 曲線進行分析，在VGS=10 V 成立下，該總柵極電荷即為205 nC(VDS=30 V)。利用Q=C·V 關系式，計算出柵極電容為20.5 nF，這顯著高于表1 給出的14.2 nF的輸入電容。這意味著，對此柵極電容進行計算時，能夠利用總柵極電荷來對相應的電容進行推導。倘若是通過該柵極電荷最大值對最壞情形進行設計，此值就需要按照設計的柵源與漏源電壓加以動態(tài)調整。

通過表1 所提出的該場效應管信息作為案例，在VGS達到10 V，該開關頻率也就是F為0.25 MHz，而漏源電壓則是30 V，該場效應管的柵極電容充放電就會形成該驅動器的功耗，具體如下：

2.4.2 峰值電流驅動的需求

對場效應管驅動器進行分析，需要對其內外要素進行綜合考慮，分析它們對該驅動器所帶來的功耗。為此，需要對其功耗進行科學計算，然后再選擇合適的封裝模式，并對結溫進行計算[14-15]。

該場效應管需要和其驅動器進行匹配，此時需要結合其導通與截止速度來進行科學設計。而這種速度與柵極電容充放電速度關系緊密。場效應管的柵極電容、導通、截止時間等，和相應驅動器的驅動電流存在密切關系，具體如下：

其中：Td為導通/截止時間，Vd為柵極電壓，C為柵極電容，I為峰值驅動電流。

已知柵極電荷的關系為：

公式可以轉化為：

其中：Q為總柵極電荷。

以下就是借助于設計參數(shù)，對該驅動器的峰值電流進行運算。

MOSFET 柵極電荷(Q)=50 nC

MOSFET 柵極電壓(Vd)=10 V

導通/截止時間(Td)=40 ns

代入前面的公式中：

通過該公式，可以算出峰值驅動電流為1.25 A。其中柵極驅動電壓大小為10 V，在對驅動器進行遴選之際，該參量需要得到充分的考慮，為此，該峰值輸出電流即為1.5 A 的驅動器。

2.4.3 MOSFET 驅動器的選擇

MOSFET 驅動器最終選擇的型號為TC4432，它是30 V CMOS 驅動器，其功耗只有470 mW，適用于高端驅動器應用。它具有如下的優(yōu)點：

(1)高容性負載驅動能力；

(2)高峰值輸出電流：1.5 A；

(3)輸入電壓范圍廣：4.5 V 至30 V;

(4)延遲時間短：小于78 ns；

(5)輸出阻抗低：7 Ω；

(6)靜電釋放保護：4 kV。

MOSFET 驅動器的控制輸入支持TTL/CMOS 兼容輸入，驅動輸出有獨立的拉電流和灌電流輸出引腳，可以提供3 A 峰值電流到容性負載和吸收來自容性負載的1.5 A 峰值電流。

2.5 MOSFET 工作模塊

由于此電源開關需要通過較大的電流，電路設計采用MOSFET 并聯(lián)來實現(xiàn)電路的分流，減小單個MOSFET 的電流壓力[16]，因此選用N 溝道增強型MOS 管(AOTL66608)，其漏源電壓為60 V、額定電流可達400 A、導通電阻低至0.85 mΩ。驅動器及場效應管模塊實現(xiàn)機制圖如圖6所示。

圖6 驅動器及MOSFET 模塊

3 試驗設計與分析

3.1 試驗說明

試驗目的為測試MOSFET 電源開關的電流耐受能力。將電源開關串聯(lián)在電池包與充放電機電流回路負極主線上,閉合電源開關后,對電池包進行充放電,讓電流持續(xù)恒流通過電源開關以測試其電流耐受能力,每次測試過程中電源開關始終保持閉合狀態(tài)。

如圖7 所示，經(jīng)過驗證，電源開關溫度最高點為內部溫度采集芯片溫度，對此處進行溫度采集可以反映整個繼電器的最高溫度(T3)。在整個測試過程中需記錄下電流和溫度等信息以衡量電源開關的過電流能力。

圖7 電源開關溫度監(jiān)控點示意圖

3.2 持續(xù)過電流測試(室溫)

采用恒流充放交替(比如250 A 10 s 充電，再250 A 10 s 放電，如此循環(huán)，理論上跟恒流一樣)來對電源開關進行持續(xù)過電流測試。

(1)250 A 恒流試驗

250 A 恒流測試流程圖如圖8 所示，試驗記錄的溫度值如表2 所示。溫度變化曲線如圖9 所示。

圖8 250 A 恒流測試流程圖

圖9 溫度-時間曲線(250 A 恒流)

表2 250 A 恒流試驗記錄值

T3為電源開關內部溫度(也是電源開關最高溫度點)，從試驗開始到結束溫度始終低于它的最高承受上限溫度80 ℃，外加的NTC 靈敏度和布置位置影響，曲線中的值始終比溫度傳感器值略低，越到末端溫差越大。250 A恒流最終截止時溫度差異為3 ℃。

(2)375 A 恒流試驗

375 A 恒流試驗記錄的溫度值如表3 所示。溫度變化曲線如圖10 所示。

表3 375 A 恒流測試記錄值

圖10 溫度-時間曲線(375 A 恒流)

T3為電源開關內部溫度(也是電源開關最高溫度點)，從試驗開始到結束溫度始終低于它的最高承受上限溫度80 ℃。外加的NTC 靈敏度和布置位置影響，曲線中的值始終比溫度傳感器值略低，越到末端溫差越大。375 A恒流最終截止時溫度差異為14 ℃。

通過上述試驗，結果驗證該電源開關可以在375 A大電流下穩(wěn)定工作。

4 結論

本文針對繼電器的電磁干擾和電弧灼燒現(xiàn)象，設計了一款基于MOSFET 的電源開關。對電源開關的工作原理和結構設計進行介紹，并詳細闡述了MOSFET 驅動器選型設計及驅動器的工作特性，最后通過恒流試驗測試，實驗結果驗證電源開關的耐受能力符合要求。