交流调速控制器MOSFET 功率管选型与发热分析

王爱荣，康少华，张学玲

(军事交通学院 军事物流系，天津300161)

在交流调速控制器中，MOSFET 功率管既是主要的控制器件，也是主要的发热器件，是一种电压控制型电子开关器件，能以较小的控制功率获取较大的驱动功率，且其开关速度也较快。因此，在设计控制器时，MOSFET 功率管型号的选择对控制器电路设计和结构设计具有重要意义。

1 MOSFET 功率管选型

1.1 MOSFET 功率管基本型号的确定

根据控制器的2 个重要参数—电压80 V 和电流400 A，选择耐压值时，考虑控制器的回馈充电电压，为了避免MOSFET 功率管击穿，其耐压值应选取工作电压的2 倍以上，查阅MOSFET 功率管的使用手册，可选择耐压值为150 V 的MOSFET功率管。根据耐压值，选定IRF 公司的IRFS4321型和INFINEON(英飞凌)公司的IPB065N15N3 型MOSFET 功率管进行对比分析(见表1)。

表1 2 种MOSFET 功率管基本参数

1.2 MOSFET 功率管并联数量的确定

单只MOSFET 功率管的过流能力有限，为了得到大的驱动功率，必须提高过流能力，一般采用多只MOSFET 功率管并联来增加驱动功率。

并联MOSFET 功率管时，必须解决好多只MOSFET 功率管并联驱动、均流和多只MOSFET 功率管并联导通的一致性问题［1］。并联的数量越多，解决问题的难度越大。因此，合理选择单只MOSFET 功率管的过流能力，是设计控制器的关键。一般安全系数大于2，所以选定MOSFET 功率管的总电流在900 A 以上。

并联MOSFET 功率管电流分配不均是由于并联功率管的导通电阻Rds不相等引起的，Rds较低的功率管分担了比平均值更大的电流。功率管的Rds具有正温度系数，可以抑制功率管的发热。如果并联功率管部分承担了更多的电流，则局部的发热量就比较大，内阻增加，就会把电流承担区域转移到相邻区域来平衡电流密度。仅仅依靠MOSFET 功率管自身的平衡机制不足以降低器件的工作温度。因此，解决并联均流和导通的一致性问题，可以采取以下方法:

(1)严格匹配并联MOSFET 功率管的导通电阻。

(2)减少驱动线长度，功率管和驱动线电路设计采取对称布局。

(3)栅极串联一个较小的均流电阻。

(4)将并联功率管置于同一散热片上，尽量靠近，保持温度接近。

IRF 公司的IRFS4321 单只过流能力是83 A(25 ℃)，综合多只MOSFET 功率管的均流因素和调速控制器的参数，选择12 只功率管并联;INFINEON 公司的IPB065N15N3，单只过流能力130 A(25 ℃)，则选择7 只功率管并联。

2 MOSFET 功率管发热分析

2.1 MOSFET 功率管布局分析

功率管型号和并联数量决定了调速控制器的布局和整体结构。MOSFET 功率管工作过程中会承受大电流，即使功率管导通电阻足够小，但是整体的温升也很快。温升会影响调速控制器的过流能力和导通电阻，过高的温度会超过功率管的承受极限，导致击穿和烧毁。多只功率管并联时，容易出现某只承载电流不均、温升过快等问题，也导致功率管烧毁。因此，采用金属铝基板材，提高散热能力，解决温升过高和过快问题，还可以解决热胀冷缩问题。其技术是将MOSFET 功率管均布于板材上，通过板材和导热硅脂将热量传送至散热底座［2］。

2.1.1 12 只IRFS4321 并联

调速控制器功率模块采用三相桥壁电路，每一相上下桥壁采用12 只IRFS4321 并联。12 只并联MOSFET 功率管均流难度大，因此，驱动线采用中间对称布局方式。中间对称布局能够减小驱动信号的损耗、布线电阻和布线电感，保证每一只MOSFET 功率管驱动信号一致和充分导通，确保每只功率管发热量均匀。IRF 公司单只IRFS4321 导通电阻为15 mΩ，单位时间内流经大电流时的发热量很大，大电流在走线电路上的发热量也很大，因此，调速控制器的三相输出采用中间出线的方式，使单位铝基板铜箔面积通过电流减小，调速控制器的内部发热量减小。图1 所示为12 只IRFS4321 的整体布局。

2.1.2 7 只IPB065N15N3 并联

英飞凌公司单只IPB065N15N3 导通电阻为6.5 mΩ，比IRF 公司IRFS4321 减小了一半多，并联功率管的数量为7 只，流经同样电流发热量比IRFS4321 小很多。因此，驱动线采取单边驱动方式，三相输出采取单边输出方式，这样可以简化调速控制器整体布局。外围大电流接线柱位于调速控制器外壳边缘，方便调速控制器外围接线。图2所示为7 只IPB065N15N3 整体布局。

图1 12 只IRFS4321 整体布局

图2 7 只IPB065N15N3 整体布局

2.2 MOSFET 功率管热仿真分析

调速控制器输出最大电流(400 A)时间指标为2 min，输出额定电流(200 A)时间指标为1 h。为满足指标，环境温度25 ℃时，利用ANSYS 对2种情况MOSFET 功率管发热进行分析［4］。

2.2.1 MOSFET 功率管发热量计算

MOSFET 功率管的功率损耗主要包括阻性损耗和开关损耗，不同工作状态下，其阻性损耗和开关损耗所占比例是不同的。MOSFET 功率管工作在最大占空比时，输入电压达到最大，单位时间内的阻性损耗最大。根据MOSFET 功率管的导通电阻RDS(ON)HOT和工作占空比，通过欧姆定律，近似计算它的阻性功率损耗［3］:

式中:PDRESISTIVE为MOSFET 功率管的阻性损耗;ILOAD为MOSFET 功率管漏源极电流;RDS(ON)HOT为MOSFET 功率管最高温度时导通漏源极电阻;UOUT为输出电压;UIN为输入电压。

MOSFET 功率管的开关损耗计算比较困难，因它依赖于许多难以量化且通常没有规律的因素，这些因素同时影响打开和关断过程。可用下式近似估量某只MOSFET 功率管开关损耗［3］:

式中:PDSWITCHING为MOSFET 功率管开关损耗;CRSS为MOSFET 功率管反向传输电容(数据资料中一个参数);fSW为开关频率;IGATE为MOSFET 功率管栅极驱动器在MOSFET 功率管处于临界导通(UGS位于栅极充电曲线的平坦区域)时的吸收电流。

计算2 种方案在输出最大电流和额定电流时发热功率，其结果见表2。

表2 2 种方案发热功率 W

表2 数据表明，最大输出和额定输出状态的发热功率相差比较大。内阻大、并联数量多的功率管，单只流经电流反而小，则发热功率也小。

2.2.2 调速控制器最大输出状态

图3 为2 种方案调速控制器最大输出时的温度分布轮廓。其中，方案1 的热平衡最高温度为64.4 ℃(如图3(a)所示)，方案2 的热平衡最高温度为54.6 ℃(如图3(b)所示)，功率管内阻大、并联数量多的方案2 达到热平衡温度更低，因此，方案2 发热量低。

2 种方案最高温度区域很小，温度降低，板上区域增大，说明板与外界的热传导比较均匀，设计都是比较合理的。从温度区域看，同一温度轮廓区域方案2 大，说明板面积影响板散热。

图4 为最大输出时热流率分布。可以看出方案1 的最大热流率为295 255，方案2 的最大热流率为189 646。可见，板面积增大，最大的热流率反而减小。另外，最高温度区域方案2 比方案1大，方案2 比方案1 的热流率分布更有规律，所以，热量的分布更均匀，传导更好。

图5 为最大输出时温度分布梯度。可以看出，方案2 比方案1 的板面积大，相应的温度梯度线外廓要大，同一温度范围所占面积大，而且方案2 温度梯度比方案1 要小1 个等级。所以，其温度分布更为均匀，散热更为良好。

图4 最大输出时热流率分布

图6 最大输出时热变形云图

图6 为最大输出时热变形云图。可以看出，方案1 的最大热变形量为0.15 ×10-5m(如图6(a)所示)，方案2 的最大热变形量为0.128 ×10-5m(如图6(b)所示)，2 种方案的热变形量极小，基本可以忽略不计。另外，2 种方案热变形分布区域均匀，区域之间的变形量相差很小。因此，2 种方案布局的热变形都能满足要求。

2.2.3 调速控制器额定输出状态

图7 为额定输出时温度分布轮郭。可以看出，调速控制器额定输出时，方案1 热平衡最高温度31 ℃(如图7(a)所示)，方案2 热平衡最高温度29 ℃(如图7(b)所示)。达到热平衡的温度和温度分布说明2 种设计都是合理的。

图7 额定输出时温度分布轮廓

额定输出的温度分布梯度线(如图8 所示)直观地说明了温度的分布区域。2 种方案温度梯度线变化均匀，反映调速控制器额定工作时散热良好。

3 结 论

图8 额定输出时温度分布梯度线

(1)2 种方案表明，减小大电流调速控制器的发热量，既可选择少量内阻小的MOSFET 功率管并联，也可选择多只内阻大的MOSFET 功率管并联，后者的总体发热量要小一些。多只功率管并联时，散热板面积大，有利于散热。

(2)论文设计的2 种方案发热量都在允许范围内，前者发热量大，但可优化控制器结构，后者发热量小，但其结构稍微复杂。

［1］ 曲学基，曲敬铠，于晓明.逆变技术基础与应用［M］. 北京:电子工业出版社，2008.

［2］ 黄智伟.印制电路板(PCB)设计技术与实践［M］. 北京:电子工业出版社，2009.

［3］ 百度文库.电源工程师指南:大功率电源中MOSFET 功耗的计算［BD/OL］. ［2014-08-02］. http://wenku. baidu.com/link?url=QrPZeiqt1Bhg5mkk CifhzUZk9Jkwg4LjS9shLk FNfJNPqbtgTyrD0wCugesnlQ-652xer7-daC-l 6IvigyQd09m xXB7ggsBq1jbFSjVEm.

［4］ 辛文彤，李志尊，胡仁喜，等. ANSYS13.0 热力学有限元分析从入门到精通［M］.北京:机械工业出版社，2011.