功率mos在电动车控制器中应用（mos，你了解多少）

(原)frh206

下面介绍下对普通用户实用点的。
Mos挑选的重要参数简要说明。以datasheet举例说明。

栅极电荷。Qgs, Qgd

Qgs:指的是栅极从0v充电到对应电流米勒平台时总充入电荷（实际电流不同，这个平台高度不同，电流越大，平台越高，这个值越大）。这个阶段是给Cgs充电（也相当于Ciss，输入电容）。

Qgd:指的是整个米勒平台的总充电电荷（在这称为米勒电荷）。这个过程给Cgd（Crss，这个电容随着gd电压不同迅速变化）充电。
下面是型号stp75nf75.

我们普通75管Qgs是27nc，Qgd是47nc。结合它的充电曲线。

进入平台前给Cgs充电，总电荷Qgs 27nc，平台米勒电荷Qgd 47nc。

而在开关过冲中，mos主要发热区间是粗红色标注的阶段。从Vgs开始超过阈值电压，到米勒平台结束是主要发热区间。其中米勒平台结束后mos基本完全打开这时损耗是基本导通损耗（mos内阻越低损耗越低）。阈值电压前，mos没有打开，几乎没损耗（只有漏电流引起的一点损耗）。其中又以红色拐弯地方损耗最大（Qgs充电将近结束，快到米勒平台和刚进入米勒平台这个过程发热功率最大（更粗线表示）。

所以一定充电电流下，红色标注区间总电荷小的管子会很快度过，这样发热区间时间就短，总发热量就低。所以理论上选择Qgs和Qgd小的mos管能快速度过开关区。

导通内阻。Rds（on）。这个耐压一定情况下是越低越好。不过不同厂家标的内阻是有不同测试条件的。测试条件不同，内阻测量值会不一样。同一管子，温度越高内阻越大（这是硅半导体材料在mos制造工艺的特性，改变不了，能稍改善）。所以大电流测试内阻会增大（大电流下结温会显著升高），小电流或脉冲电流测试，内阻降低（因为结温没有大幅升高，没热积累）。有的管子标称典型内阻和你自己用小电流测试几乎一样，而有的管子自己小电流测试比标称典型内阻低很多（因为它的测试标准是大电流）。当然这里也有厂家标注不严格问题，不要完全相信。

所以选择标准是找Qgs和Qgd小的mos管，并同时符合低内阻的mos管。

但在同样工艺下，这2个影响充电电荷的参数和芯片面积成正比（就是芯片面积越小电容越小），而内阻和芯片面积成反比（芯片面积越大内阻越小）。就是说为了得到小的充电电容，必须用小的芯片面积，大的内阻，这样管子尽管开关速度快了，但是导通损耗在大电流下受不了。而在大功率应用场合，内阻还是起主导地位的。所以你会发现同一厂家的管子在同一工艺产品上（有的厂家不同工艺生产会有差异），内阻小的往往这两个电容参数大，并且是和内阻成反比例的变化。

那有没有既符合低内阻，电容特性又比较好的呢？半导体制造和设计一直在进步。即使目前特性不好的管子放在以前也是最好的。所以只有相对的更好。目前世界上不同设计厂家的产品技术差距还是相当大的。

下面对比一下我所知道的比较好的管子。还是以75v耐压为例（因为要和75nf75对比，需要同耐压）。Ipp062ne7n。 这个管子在73a的电流下典型内阻为5.6毫欧姆（英飞凌在to220封装下没有比这个内阻更大的75v耐压的管子了，本来想找个9毫欧姆的对比）。而75nf75在40a电流下内阻为9.5毫欧姆（是062ne7n内阻的1.7倍）。如果是同样工艺，那么062ne7n的各种电容参数应该比75管大1.7倍左右。我们看看它们的数据。

下面是75nf75管的



75管的Qgs和Qgd分别是27nc和47nc。而062ne7n的Qgs和Qgd分别是16nc和9nc，不但没有比75管大1.7倍左右，反而比它小非常多，Qgd只有75管的五分之一不到。所以它可以开关非常快（不过如果用户电路布线有问题还是不行，这是另一回事）。

下面对比两管充电曲线。注意下面2图每格代表电荷不一样）。可以看出062ne7n的米勒平台电荷很小（米勒电荷只有9nc）。


不过062ne7n的芯片面积比75nf75管还小。这更说明了两者的设计工艺差距。英飞凌在75v耐压上有一款面积最大的芯片（英飞凌低压全是小管封装，没大管to-247封装，只有高压mos才有用大管封装），这个芯片面积把小管基本填满了（不能再大了）。型号是ipp023ne7n。 面积是062ne7n的3.5倍左右，所以芯片内阻也是062ne7n的3.5分之一（我是说的芯片内阻，还有封装内阻，只要小管封装内阻基本差别不大，厂家标的内阻是芯片内阻和封装内阻的串联总和）。这个管子在100a电流下典型内阻2.1毫欧姆。小电流下实测是1.4毫欧姆左右（除去封装内阻，芯片内阻小电流下应该低于1毫欧姆）。当然它的米勒电荷也基本是062ne7n的3.5倍左右。典型值达到31nc（062ne7n是9nc）。
英飞凌管子自己生产（主要在欧洲奥地利和马来西亚），不让代工厂代工。价格也比较贵。我接触的也有限，希望朋友们提供更多物美价廉的型号选择。希望国内的设计公司早日设计出更优秀的管子，物美价廉惠及国内用户。也提高国际竞争力。尤其是IGBT方面，国内客户使用基本都是进口器件。国内igbt刚刚起步也是步履蹒跚。大功率igbt主要是工业用途或交通（动车或电动汽车），对可靠性稳定性要求很高，即使国内的稳定性很好，也不容易打入市场。有时客户习惯了一个品牌，不太愿意尝试其它品牌（尤其是刚起步不知名的），如果有问题，导致事故就麻烦了。所以也只能从民用慢慢建立品牌影响力。还有国内的半导体设备制造商，差距真的太大了。看看晶圆厂里设备90%以上都是国外的。好在这几年国内设备进步挺快。希望几十年后能出世界影响力的品牌（这里有点扯远了，纯粹发牢骚）。

注意选择管子不要只选择认为最好的，或选择贵的，要看总体设计。如果限流只需要18a，普通6管用75nf75完全搞定，干嘛要买很贵的管子替换呢，以适用为主。那种需要相线200a甚至500a或更高电流的控制器，确实要选择最好的管子，其实最好的也不够用，所以还要多管并联。多管并联设计难度比单管高的多（如果想达到同样稳定性）。管数越多，并联难度越大。在这种情况下，有必要用最好参数的管子来设计。如果用参数低的，理论上可以并联更多的管子来达到这个效果， 设计难度可以想象。比如500a相线电流控制器。尤其是高压高电流更是是难上加难。

(原)frh206

帖子超时，不能放首页了，放这好了。

(原)东海之东

如果要全面提高控制器的性能，需要多管齐下。其实只要参考一下电脑主板及专业的变频控制器，无不是四层，乃至八层的PCB布局，这样即使不将功率管独立布局，也可让强电与弱电各走各自的电路层，大大降低因双层PCB布线导致的相互干扰问题。也可降低对大功率管的严苛要求，让我们手中的控制器都是耐用，可靠的利器。。。

(原)jacky517

84# frh206
继续拜读了傅工的大作，我有几点问题在此提出：
1、电动车在运行过程中，不可忽视Rds(ON)，而你这里说的要尽量选择Qgs、Qgd低的MOS管，他的芯片面积就相对较小，如果电动车一直运行，是不是导通损耗所占的比例已经远远超过了开关损耗呢？这样不是小芯片的MOS管更容易烧坏？
2、现在对各个参数没有相对值的概念，怎样去综合比较参数的好坏呢？如果一味的去追求一些参数，是不是会忽略其他很多，导致得不偿失呢？

(原)frh206

84# frh206  
继续拜读了傅工的大作，我有几点问题在此提出：
1、电动车在运行过程中，不可忽视Rds(ON)，而你这里说的要尽量选择Qgs、Qgd低的MOS管，他的芯片面积就相对较小，如果电动车一直运行，是不是导通损耗 ...
jacky517 发表于 2013-4-23 16:54

嗯，你说的很对，当然不能只追求栅极电容参数比较好，只追求开关性能。大功率下，内阻还是起主导作用，因为电动车只有加速起步时考验的开关损耗，而平时匀速或急速时还是导通损耗为主，小面积芯片内阻大，发热肯定大，容易烧。所以我说的是“所以选择标准是找Qgs和Qgd小的mos管，并同时符合低内阻的mos管。” 低内阻大芯片mos其实就相当于好多小芯片mos内部并联。

对电动车来讲，正常情况主要是导通损耗和开关损耗。所以重点关注导通内阻和影响开关性能的栅极电容参数。而在设计极端保护等异常情况，比如短路保护，就要考虑mos热阻（瞬间热阻），雪崩耐量等参数。mos参数太多，并且几句话很难讲清楚。而datasheet给的参数好多都有特定测试条件，条件一变，数据也跟着变。比如雪崩能量。测试是电路中电流大小，电感大小均严重影响这个值。所以不同测试方法不好做比较，只有相同测试条件才方便比较。在做整个产品设计时，要考虑mos热阻，尤其是整个系统的热阻（mos到环境的热阻）。这个从某种意义上决定了这个系统最大输出功率。

(原)frh206

包括阈值电压高低都影响开关性能。设计时肯定需要考虑非常多的参数。我列出来的只是重点选择对象。当然也是根据我的理解。

(原)frh206

如果要全面提高控制器的性能，需要多管齐下。其实只要参考一下电脑主板及专业的变频控制器，无不是四层，乃至八层的PCB布局，这样即使不将功率管独立布局，也可让强电与弱电各走各自的电路层，大大降低因双层PCB布线 ...
东海之东 发表于 2013-4-23 16:36

嗯，电路板需要优化改善的布局可以很多。可能是目前大家追求低成本，方案相差不大。当然也有少数比较优秀的。

(原)denon3721

疑问："因为电动车只有加速起步时考验的开关损耗，而平时匀速或急速时还是导通损耗为主" ?

即使是在匀速或者急速行驶的时候，mos管也是在不停的开关，因为要换相，既然不停的开关，那意味着也存在开关损耗

(原)sky89

帖子超时，不能放首页了，放这好了。
frh206 发表于 2013-4-23 16:14

我帮付工编辑了，再次对付工的分享精神表示敬意~

(原)frh206

疑问："因为电动车只有加速起步时考验的开关损耗，而平时匀速或急速时还是导通损耗为主" ?

即使是在匀速或者急速行驶的时候，mos管也是在不停的开关，因为要换相，既然不停的开关，那意味着也存在开关损耗
denon3721 发表于 2013-4-23 17:41

你的理解是对的。只要换相就必定存在开关问题。所以宏观看任何工作状态mos管在控制器里面都有开关损耗。不过mos因为换相需要的开关频率一般能上千赫兹都很大了。（这时车速已经很快了）。而在加速pwm调制期间，开关频率是16khz或更高（不同单片机方案稍有差距）。所以换相带来的开关损耗比开始pwm调制时低了一个数量级。所以这时导通损耗占主导地位。内阻低的mos管会表现出骑行时控发热低。如果一直做起步刹车测试，控发热大小和内阻关系可能不明显，因为频繁起步mos损耗以开关损耗为主。（其实哪个为主，哪个为辅没明确分界线，因为mos工作状态一直在改变，从起步到最终急速状态。并且不同mos参数会导致这两个损耗占比不一样。这里只是一般笼统说明）。