🈹 ⛹🏾 🍨 设计逆变器电源板的复杂性 💃🏿 🌀 👉🏻

大家好！我将以适度的步骤继续进行有关铁电动自行车发展的系列文章。让我们从最有趣的开始-逆变器，它控制电动机。我想更多地谈谈构建电源板的复杂性和晶体管的温度状况。

模型经芯电动自行车

设计用于高频大电流的电路板时的主要问题是导体，电容器，晶体管外壳的电感，或者说是由于导体，电容器，晶体管外壳所导致的发射以及需要为按键设置参数余量的问题，这导致了设计成本的增加和开关损耗的增加。

在感性负载上工作的过程中，当电流中断时，按键上会出现电压浪涌，其等于∆V = -L（dI / dt），其中∆V是电压变化的幅度，L是电感，dI / dt是电流的变化率（上升）或减少）。

让我们以两相PWM的特殊情况为例，电流最初流经闭合键Q2，然后电流通过上键Q1在电动机电路中累积。为简单起见，Q6键始终处于打开状态。

红色方向表示初始电流的路径。在切换时，Q2键打开，但是此键上的电压变为MOS晶体管的寄生二极管上的压降的负值。发生这种情况的原因是，存储能量的电动机的电感试图“节省”其电流并产生一个负电压。然后，按键Q1开始导通，电感L_DC +，L_Q1D，L_Q1S，L_DC处的电流逐渐增加。其中L_QnD是晶体管外壳的漏极电感，L_QnS是源极电感，L_DC是板电感。在将电流从电路的一部分转移到另一部分的过程中，晶体管Q2自身上突然检测到的电压大于通过电源总线提供的电压，并安装在输入电容上。

以100A的电流进行切换的示例

该电压的大小将成比例地大于开关速度。我们不想在切换过程中在按键上分配大量热量，因此，当按键立即切换时，这被认为是理想的选择，但实际上这是无法实现的。简而言之，这种转变发生得越快，关键损失就越小，但是与此同时，转变发生得越快，在L_DC，L_Q1D和L_Q1S上产生的应力激增就越大。另一个很少提及的现象，但在此过程中最虚假的现象可能是二极管Q2的电荷。由于在关断Q2和导通Q1之间存在一定的死区时间，因此反向恢复电荷在二极管Q2上累积，在晶体管的文档中，它表示为Qrr，以纳伦为单位。当Q1接通时，会产生直通电流，这将恢复寄生二极管Q2。该电流的大小将越高，则需要导通Q1的速度就越快，并且流经晶体管的电流就越大。从此处开始，在L_Q2D，L_Q2S处会发生额外的电压浪涌。这个开关在英语中被称为“ hard”。艰难的换行。

如果选择的晶体管没有电压裕度，则这种浪涌会引起雪崩，这将大大缩短晶体管的寿命，如果长时间暴露，则会完全损坏它。

在这种切换过程中，可能会发生RF振荡（大约为数MHz的“振铃”），涉及到电感L_Q（1,2）S和晶体管Q1 / 2的栅极与漏极之间的杂散电容。由于在传统的TO220 3引脚情况下，控制信号实际上是通过功率支路提供的，这会引入其自身的干扰。为解决此问题，在电源组件模块中输出了一个单独的控制信号源引脚，该引脚上没有电源干扰。在打开晶体管Q1的瞬间，开始流过源极的电流在晶体管的源极引线的电感上产生电压降，这会减慢打开速度。另外，急剧的电压降会干扰该过程，这也会通过杂散电容来抑制栅极控制信号。另一方面，晶体管Q2上的电压Vds急剧上升，它通过漏极和快门之间的杂散电容拉动快门以使其打开。所有这些因素的结合导致出现高频振荡，通常通过降低陡度dI / dt和dVds / dt来完成与它们的斗争，但是在打开速度，打开损耗和晶体管的振铃损耗之间存在最佳选择。

从Q2侧面观看的“软”关机Q1的示例。

Vds上的负电压（1）-脚Q2的电感。在百叶窗（3）上，只有一半的可见光，因为在这种情况下，在示波器连接电路中，电流仅在源极分支上改变。

寄生电感器控制技术

考虑使用两种宽度相同但在板上的布置不同的导体。

假设我们的轨道宽度为10mm，长度为100mm，它们之间的距离为0.5mm。对于选项a，互感约为6.3 nH。对于选项b，电感约为132 nH。这是什么意思？让我们以1.25A / nS的当前变化率为例，如上面的屏幕截图所示，按照公式∆V = -L（dI / dt），我们可以得到选项a ∆V = -6.3 nH * 1.25A / ns = 7.8V 的电压变化。对于选项b该值将等于132nG * 1.25A / ns = 165V。这远高于我们的电源电压！实际上，将发生击穿，并且电压将保持在晶体管的电压极限之上，并且尽管晶体管处于关闭状态，电流仍将流过该晶体管。因此，你的好电容的好也不会，如果他们挂在长长的“感性” :)

可以去这里怎么这样？

至于晶体管外壳的寄生元件，您将无法处理它们，尤其是板子上最短的引脚，没有长线。高频振铃被陶瓷电容器很好地分流，它们应直接位于电源总线上的按键旁边，但是通过消除使用SiC晶体管或自适应控制的晶体管寄生二极管的操作，您可以完全摆脱振铃，但这是一个不同的价格范围。减小外壳电感的另一种选择是所谓的SMD晶体管。DirectFet，PowerQFN等。但是它们也有缺点，包括更糟的散热器，SMD安装的布局困难以及价格。

关于散热器

一种或另一种方式，运行中的逆变器会产生热量。更大的电流意味着更多的热量。因为在电动机中，短时电流可能比加速和减速期间的平均值高出几倍，对于晶体管，要求确保此类峰值负载的正常热条件。表示硅晶体的标准，最高温度Tj = 175°C。

在切换晶体管时，会大量散发热量-有源损耗。无源损耗是断开状态下漏极-源极沟道电阻的损耗，时间上更恒定，更易于计算。对于短期的热冲击，晶体管的铜基板起着良好的热缓冲作用，而SMD分量又少了-它明显更小。从晶体到所选择的晶体管I的情况的热阻为0.57°C / W，这意味着当它不断散发50瓦特的热量时，会形成29°C的温度梯度。对于热辐射，还需要保留一定的余量，并考虑到热电偶的一些延迟，因此选择100°C作为晶体管外壳的最终最佳值。问题来了-我可以给最大电流多长时间过热？测试了各种热接口，甚至是带有铝制底座的板。通过从晶体管的基极到散热器的热传递质量，我可以按以下顺序排列材料，从而降低热导率：

 
+ (2)

  + (2)
+  

直接接触不是我们的选择，因为它不能为晶体管外壳与散热器提供电气隔离。铝板的边距很小，存在氧化铝基材。氮化物明显更贵且负担得起。根据有机硅基板和氧化铝陶瓷之间的测试，在满负载的持续时间分别为1分钟和30秒，其差值几乎是2倍。当然，该测试并不能假装具有很高的科学准确性，但价格差异却是骑自行车“翻滚”的两倍？当然，最终的选择是基于氧化铝的陶瓷！事实证明，它更容易安装，另一个好处是，拧紧螺钉时晶体管的弯曲要小得多。从导热膏的痕迹来看，夹具一直都是均匀的。关于柔性基板还不能说。

使用螺钉通过眼睛通过散热器将其标准安装到散热器上时，硅胶垫容易压缩，这可能导致表面接触不均匀。因此，最后一项是“没有导热膏的基材”，因为她，导热油脂，在这种情况下一定程度上抵消了这种影响。当然，在这种情况下，建议使用特殊的弹簧以均匀地压住整个晶体管外壳，但是我们没有机会将它们放置在合适的尺寸内。

在乘坐中国管制员时，我经常注意到他只有一侧很热，而另一侧仍然很冷。因此，电源键的最终布局应尽可能均匀地加热整个外壳。钥匙通过一个小的铝制适配器安装在两侧。

结语

在本文中，我描述了我认为最有趣的事情。当然，在幕后是根据其特性选择MOS晶体管本身，计算芯片上的热损耗，并在脉动电流的影响下加热电解电容器。在下一篇文章中，我们将介绍设备的电路，数字化电流和实现电流保护的选项。

设计逆变器电源板的复杂性

寄生电感器控制技术

关于散热器

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