功率直流无刷电机的控制器VDMOS正确使用

在电动自行车里，直流无刷电机的逆变器由六个功率VDMOS管和六个续流二极管组成，六个续流二极管分别寄生在这六个VDMOS管里，因而从控制器外面看只有六个VDMOS管。这六个VDMOS管通过大电流，它们的输出直接是定子的绕组，因而是整个直流无刷电机系统里最脆弱的部分。同时电机的性能和可靠性也很大程度上取决于这六个VDMOS的性能和使用情况。下面我们来分析和讨论VDMOS管的挑选和使用。在电动自行车用无刷电机里，VDMOS管是用来作开关使用的。当VDMOS管开启时，VDMOS管流过大电流，而VDMOS管上的电压降很小;当VDMOS管关断时，VDMOS管电流截止，VDMOS管上要承受很大电压降。VDMOS管的性能主要由开启电压，导通电阻和击穿电压来表征。VDMOS管开关速度能远大无刷电机的换相速度，可以不予考虑。控制器设计工程师在挑选VDMOS管时，注意力要放在开启电压，导通电阻和击穿电压这三个关键参数上。

首先，要确保六个VDMOS管的开启电压要一致，这样才能确保两相绕组能流过相等的电流，从微电子制造工艺的角度来讲，这是一个难点，因为VDMOS管的开启电压是通过横向扩散来实现的，很难确保不同批次的VDMOS管产品的开启电压一致。

第二，导通电阻要足够小，控制器设计工程师通常只关心VDMOS管能承受的电流，其实，这取决于VDMOS管壳的散热性能和导通电阻，在TO-220管壳的散热性能一定的情况下，流过VDMOS管的电流会产生焦耳热，与电流的平方和导通电阻成正比，电流承受能力就取决于导通电阻，对于电动自行车用的VDMOS管，导通电阻应该在20毫欧姆以下，这样小的导通电阻对VDMOS管壳的封装质量要有严格要求。

第三，要确保击穿电压足够高。另外，逆变器里的续流二极管寄生在VDMOS管里，所以，控制器设计工程师还要注意VDMOS管里寄生源漏续流二极管的性能，要确保续流二极管能承受足够的源漏电流和足够快的二极管恢复时间，这样才能保证控制器可以通过PWM技术来调节电机的输出功率，并且减小电机换相时漏源电压的过冲。

VDMOS功率开关管属于静电敏感元器件，抗静电能力比双极晶体管弱得多。如果在装运和焊接VDMOS功率管时，无防静电设施，根据统计会导致超过30%的VDMOS功率开关管受到静电损伤。VDMOS功率开关管受到静电损伤后会有两种可能。第一种可能，强静电电压引起栅源击穿失效或者熔断金属化铝条失效，使得VDMOS功率开关管无法再使用，这会导致元器件浪费，增加成本，在控制器生产线上，这种情形并不多见，即使遇到了，在控制器成品测试时能够发现，对控制器生产厂家并不造成太大的损失。可怕的是第二种可能，静电电压并没有完全引起栅源击穿失效或者完全熔断金属化铝条失效，VDMOS功率开关管仍然能够使用，但是，这时的VDMOS功率开关管的预期寿命和耐高温能力已经大为减小，会远小于控制器生产厂家的保质期，有时侯，这种受到静电损伤的VDMOS功率开关管的使用寿命降低到只有几十分钟，而在控制器出场时却无法甄别，这会对控制器生产厂家、整车厂家和终端用户带来质量和安全隐患。控制器厂房里的防静电设施的添置会增加很大的固定成本投资。通常小规模控制器生产厂家如没有足够资金添置防静电设施，可以通过如下的办法来减小VDMOS功率开关管静电损伤的可能性。首先，厂家要采购VDMOS功率开关管要有防静电包装，正规的VDMOS管封装厂家都会提供;第二，要保持生产车间有一定的湿度，这能减少操作员的操作过程引起静电;第三，操作员在装配和焊接VDMOS管时要带防静电手套，这些设施花费不多。VDMOS功率开关管焊接到控制器的印刷电路板上以后，就不容易受到静电损伤了。但是，这些办法仍然无法完全消除静电损伤。根据我们的经验和分析，发现电动自行车出现故障，很大部分原因是由于控制器里的VDMOS功率开关管造成的。一旦电机被烧毁，通常是由于控制器里的VDMOS功率开关管被击穿短路造成的。

主要有如下三个原因：

第一，控制器设计工程师常常只关心VDMOS管的性能，而不关心VDMOS管里寄生的续流二极管的特性，通常的VDMOS管生产厂家提供的参数表上甚至根本不列出寄生的源漏二极管的参数，这对控制器逆变器设计会带来致命的问题。

第二，控制器设计工程师不能只考虑VDMOS管的电流承受能力，要把控制器里VDMOS管的散热性能综合考虑，如果散热环境不好，要选取导通电阻更小的VDMOS管，当然这反过来会增加VDMOS管的采购成本。其实，通过改善控制器的散热性能，同时也能提高控制器的使用寿命，能够放松对VDMOS管导通电阻的要求，也能降低控制器的成本(控制器的成本里六个VDMOS管占超过三分之一)。

第三，在控制器装配线上要注意防静电，上面已经作了详细的讨论，这里要强调的是：出厂时受到了静电损伤而又无法检测出来的控制器对整车厂用户和控制器厂家是一个很大质量和安全隐患，要引起足够注意来避免。