适用于小功率电机驱动系统的MOSFET逆变模块-电源网

本文介绍新型的MOSFET逆变模块，用于驱动风扇和水泵中的小型直流无刷电机。这种功率模块集成了6个MOSFET和相应的高压栅极驱动电路 (HVIC)。通过使用专门设计的MOSFET和HVIC，该模块能提供最小的功耗和最佳的电磁兼容 (EMC) 特性。本文将探讨这种逆变模块在电机驱动应用中所涉及的封装设计、MOSFET和HVIC，并着重讨论其中的功率损耗、电磁干扰和噪声问题。

电气设计

对于小型电机驱动系统，MOSFET在功耗、成本和性能方面较其它功率开关管更具优势。MOSFET的正向特征电阻为欧姆级 (见图1(a)) ;其导通损耗与漏极电流的平方成正比，当漏极电流低于1A时，其导通损耗低于额定功率相同的IGBT的导通损耗，这是因为IGBT在通态时存在阈值电压，该电压随逆变输出功率的下降而显著增加。大多数空调使用的风扇电机功率在50W以下；在这个功率级别上，基于MOSFET的逆变器的效率高于IGBT。

至于其反向特性 (参见图1(a))，MOSFET中固有的体二极管可充当IGBT逆变器中的快速恢复二极管 (FRD) ;即可以通过电子扩散过程实现。

快速而平滑的恢复特性，同时节省了引线框内芯片的占用空间。由于MOSFET比一般FRD尺寸大，其反向压降小，而且在栅极为高时，该压降甚至会更小，这是因为MOSFET沟道本身就允许双向电流。MOSFET的另一个优势是其耐用强度。它比IGBT的耐用强度高;与额定功率相同的其它器件相比，具有更宽的安全运行区 (SOA)。因此，在220V下可采用额定电压为500V的MOSFET，而在相同条件下采用IGBT，其额定电压则需要达到600V。但是，传统的MOSFET开关速度极高。MOSFET通常用于快速开关转换器，如AC/DC或DC/DC电源，这些应用场合要求栅极电荷Qg尽可能少，以降低开关损耗。不过，在电机驱动应用中，这种快速特性没有用处，尤其是高的dV/dt值还会引起电磁干扰。稳定性与最佳性能不易兼顾。

应用方面的考虑

图2给出了本模块的一个应用示例。在图2(a)和(b) 的模拟中，假设结区温度Tj保持为125℃;该温度为本模块的最大工作结区温度。通过这项模拟，肯定当模块外壳温度控制在100℃并采用空间向量调制 (SVPWM) 时，输出功率可大于Pout=100W，并允许Pd=16W的功率损耗。根据这些信息，我们利用一台130W BLDC电机(正弦反电动势) 和图2(c)所示的电路，对模块的额定功率进行验证实验。实验中采用的散热片有效表面积约为100cm2。采用该散热片后，模块在20kHz SVPWM下可向电机输出150W的功率；热功耗为12W。而此时模块的外壳温度为86℃，MOSFET结区温度为104℃，环境温度27℃。在同样条件下采用图2(d)所示的非连续PWM时，由于有效开关频率降低，模块的功耗可达到8W，而逆变器效率可达到95%。此时，模块的外壳温度为62℃，结区温度为82℃(已考虑电机铁芯的损耗)，逆变器的损耗为整个系统功耗的27%。