如何计算电动车控制器短路保护时间

中心议题：

• 电动车无刷电机控制器短路的工作模型
• 控制器在短路时MOSFET的工作状态
• 计算MOSFET瞬态温升的计算公式
• 设定短路保护时间的原则

解决方案：

• 温升公式：Tj = Tc + P × Rth(jc)
• 根据单脉冲的热阻系数确定允许的短路时间
• 工作温度越高短路保护时间就应该越短

随着电动车市场竞争的日益激烈，消费者和商家对整车的质量及可靠性要求越来越高。与此同时，作为整车四大件之一的控制器的技术也不断成熟，可靠性也越来越高，质量已进入一个相对稳定的时期。由于在控制器的生产和使用过程中不可避免地会遇到相线短路的情况，如电机的线圈短路就会直接导致控制器的相线短路。因此，必须设计短路保护功能以提高控制器的可靠性。在实际应用中，许多工程师面往往忽略了短路保护时间设计的问题，因此本文就如何确定短路保护时间作一些探讨，以便能够为设计人员在设计产品时作一些参考。

1 短路模型及分析

短路模型如图1所示，其中仅画出了功率输出级的A、B两相（共三相）。Q1和Q3为A相MOSFET，Q2和Q4为B相MOSFET，所有功率MOSFET均为AOT430。L1为电机线圈，Rs为电流检测电阻。

当控制器工作时，如电机短路，则会形成如图1中所示的流经Q2，Q3的短路电流，其电流值很大，达几百安培，MOSFET的瞬态温升很大，这种情况下应及时保护，否则会使MOSFET结点温度过高而使MOSFET损坏。短路时Q3电压和电流波形如图2所示。图2a中的MOSFET能承受45us的大电流短路，而图2b中的MOSFET不能承受45us的大电流短路，当脉冲45us关断后，Vds回升，由于温度过高，仅经过10us的时间MOSFET便短路，Vds迅速下降,短路电流迅速上升。由图2我们可以看出短路时峰值电流达500A，这是由于短路时MOSFET直接将电源正负极短路，回路阻抗是导线，PCB走线及MOSFET的Rds（on）之和，其数值很小，一般为几十毫欧至几百毫欧。