电机控制器(MCU)功率器件选型参数计算

文章目录

• 0. 内容简介
• 1. 交流输出端线电流 $I_L$IL​：
• 2. 交流输出端线电压 $U_L$UL​：
• 3. 电机端的相电流 $I_p$Ip​：
• 4. 电机端的相电压 $U_p$Up​：
• 5. 有功功率 $P$P：
• 6. 漏极电流 $I_D$ID​：
• 7. 漏极电流峰值 $I_{Dm}$IDm​：

0. 内容简介

在电机控制器的设计过程中，对功率器件MOSFET的漏极电流 $I_D$ID​进行校核计算是一项重要工作。这里把我自己的一些推导过程做简单叙述，主要针对某型车用电机所匹配的电机控制器，功率器件为N-MOS，交流端输出波形为正弦波。下文里面出现的变量均如题图所示。

本文如有错误和叙述不清之处，恳请读者批评指正。

1. 交流输出端线电流 $I_L$IL​：

对于特定的某相而言，例如U相，其交流输出的电流的有效值 $I_L$IL​ 实际上由与之串联的MOS提供，所以数值上等于从对应的MOS的漏极D输入、源极S输出的漏极电流 $I_D$ID​，有：

$I_L=I_D$IL​=ID​

$I_D$ID​，漏极电流(有效值)；

由于三相是对称的，所以V、W相的表达式也是如此。这里为了行文简洁，不标注表示U相的角标。下文如果没有专门说明，也是针对U相做分析。

2. 交流输出端线电压 $U_L$UL​：

交流端由于是三相，所以应考虑区分相电压和线电压。其中U点相对直流母线负极的交流电压 $U_U$UU​ 的峰值等于直流母线电压 $U_{DC}$UDC​，所以交流电压 $U_U$UU​ 的有效值为直流母线电压的 $1/\sqrt{2}$1/2​，即 $U_U=U_{DC}/\sqrt{2}$UU​=UDC​/2​。而V点电压与U点电压的相位相差120°，所以UV之间的线电压 $U_L$UL​ 为：

$U_L=\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}}\cdot U_{DC}$UL​=2​3​​⋅UDC​

$U_{DC}$UDC​，直流母线电压；

3. 电机端的相电流 $I_p$Ip​：

电机采用星形接法，电机的A相绕组和电机控制器的U相串联，所以电机A相的相电流 $I_p$Ip​ 与电机控制器U相的线电流 $I_L$IL​ 相等：

$I_p=I_L$Ip​=IL​

$I_L$IL​，输出端线电流；

4. 电机端的相电压 $U_p$Up​：

电机采用星形接法，电机A相的相电压等于电机控制器线电压的 $1/\sqrt{3}$1/3​，即：

$U_p=\frac{1}{\sqrt{3}}\cdot U_L$Up​=3​1​⋅UL​

$U_L$UL​，输出端线电压；

5. 有功功率 $P$P：

考虑电机A相绕组，其有功功率等于加在它身上的相电压 $U_p$Up​、通过它的相电流 $I_p$Ip​、当前功率因数 $cos\varphi$cosφ 三者的乘积，再考虑共有三个一样的绕组，所以整个电机的有功功率 $P$P 为：

$P=3cos\varphi\cdot U_{p}\cdot I_p$P=3cosφ⋅Up​⋅Ip​

代入上文得到的相电压 $U_p$Up​ 和相电流 $I_p$Ip​ 的表达式，得到有功功率 $P$P 关于电机控制器线电压 $U_L$UL​ 和线电流 $I_L$IL​ 的表达式：

$P=\sqrt{3}cos\varphi\cdot U_{L}\cdot I_L$P=3​cosφ⋅UL​⋅IL​

再代入线电压 $U_L$UL​ 和线电流 $I_L$IL​ 的表达式，得到有功功率 $P$P 关于直流母线电压 $U_{DC}$UDC​ 和漏极电流 $I_D$ID​ 的表达式：

$P=\frac{{3}}{\sqrt{2}}cos\varphi\cdot U_{DC}\cdot I_D$P=2​3​cosφ⋅UDC​⋅ID​

以上各式中，
$cos\varphi$cosφ，功率因数；
$U_p$Up​，电机端相电压；
$I_p$Ip​，电机端相电流；
$U_L$UL​，交流输出端线电压；
$I_L$IL​，交流输出端线电流；
$U_{DC}$UDC​，直流母线电压；
$I_D$ID​，漏极电流；

6. 漏极电流 $I_D$ID​：

由有功功率 $P$P 的表达式可以反求漏极电流 $I_D$ID​：

$I_D=\frac{\sqrt{2}}{3cos\varphi}\cdot \frac{P}{U_{DC}}$ID​=3cosφ2​​⋅UDC​P​

$P$P，有功功率；
$cos\varphi$cosφ，功率因数；
$U_{DC}$UDC​，直流母线电压；
$I_{DC}$IDC​，直流母线电流；

需要注意的是，这里漏极电流 $I_D$ID​ 是单个半桥臂，本例中也就是题图中所示的单个MOS提供的漏极电流。但如果半桥臂是由N个MOS并联的，则 $I_D$ID​ 应为N个MOS的漏极电流之和。

7. 漏极电流峰值 $I_{Dm}$IDm​：

$I_D$ID​ 为漏极电流的有效值，由于输出波形是正弦波，所以漏极电流的峰值为漏极电流有效值的 $\sqrt{2}$2​ 倍，即：

$I_{Dm}=\sqrt{2}⋅I_D$IDm​=2​⋅ID​

假设桥臂使用N个MOS并联。那么可以使用规格书中提供的连续漏极电流的许用值校核 $I_D/N$ID​/N 和$I_{Dm}/N$IDm​/N ，并使用脉冲漏极电流许用值校核$I_{Dm}$IDm​。

注意这里是用N个MOS的总漏极电流峰值 $I_{Dm}$IDm​ 和单个MOS的脉冲漏极电流许用值做比较。这是考虑到各MOS存在差异，导通时间并不相同，所必然会存在只有一个MOS导通的时刻。此时，这个提前导通的MOS承担了本应由N个MOS共同承担的所有电流，也就是 $I_{Dm}$IDm​。

当然了，校核并不是简单的小于许用值就算合格，还需要考虑足够的安全系数。这个安全系数受到不同的原料、工艺、场景和客户(大雾)等因素的影响会有不同的取值，这里就不展开说了。

（全文完）

。

。

。

。

。

。

（好吧，其实是说不明白……）