浙江毅力汽車空調(diào)有限公司 黃忠毅 付忠亮 葉 雨 陳 義 葉偉俊

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功率MOS管在鼓風(fēng)機調(diào)速中的并聯(lián)應(yīng)用

浙江毅力汽車空調(diào)有限公司 黃忠毅 付忠亮 葉 雨 陳 義 葉偉俊

【摘要】介紹了一種功率MOS管的并聯(lián)應(yīng)用方法。首先對MOS管并聯(lián)需要注意的問題進行了探討，然后介紹了一種新的并聯(lián)方法的工作原理,并給出了在汽車空調(diào)鼓風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng)中的實際應(yīng)用電路。結(jié)合實驗測試結(jié)果,對該并聯(lián)方法的優(yōu)缺點進行了分析。

【關(guān)鍵詞】MOS管；風(fēng)機調(diào)速；均流

引言

隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們生活中的主要消費品之一，并逐漸影響和改變?nèi)藗兊纳睢Ｄ壳皣掖罅μ岢?jié)能減排和使用新能源，汽車電子行業(yè)應(yīng)積極響應(yīng)號召，研究新技術(shù)，發(fā)展新能源產(chǎn)品。汽車空調(diào)鼓風(fēng)機電子調(diào)速器作為汽車空調(diào)的重要組成部分，市場需求也逐年擴大[1]。汽車電子鼓風(fēng)機電子調(diào)速器主要由MCU、功率MOS管、以及電阻電容等一些外圍器件組成，而功率MOS管是其最核心亦最關(guān)鍵的部分，它的好壞直接影響了電子調(diào)速模塊的最終質(zhì)量。一般選用汽車級的功率MOS管，特點為低導(dǎo)通內(nèi)阻、低壓、大電流。某些車型空調(diào)鼓風(fēng)機的功率相對較大，存在一般的單個MOS管無法滿足其功率要求，而大功率MOS管成本又偏高的情況，往往需要將兩三個MOS管并聯(lián)使用。但因為MOS管的自身特性，又不能簡單的直接并聯(lián)使用。因此，本文介紹了一種新的MOS管并聯(lián)應(yīng)用的方法。

1 MOS管并聯(lián)需要注意的問題

功率MOSFET管的導(dǎo)通電阻雖然具有正的溫度特性，對電流具有自動調(diào)節(jié)能力，較易于并聯(lián)應(yīng)用。但由于器件自身參數(shù)不一致，如：導(dǎo)通電阻Ron、柵閾電壓UT、跨導(dǎo)gm、及極間電容Cgs、Cgd等；柵極電路參數(shù)不一致，如：柵極電路串聯(lián)電阻Rg和柵極電路分布電感Lg等；漏源極電路參數(shù)不一致，如：漏源極電路分布電感L0、LS 等[2],會使并聯(lián)應(yīng)用的功率MOSFET管產(chǎn)生電流分配不均問題,尤其在風(fēng)機驅(qū)動系統(tǒng)中，風(fēng)機冷啟動瞬間電流較大，而此時MOS管自身溫度不均勻，熱平衡調(diào)節(jié)不明顯，各個MOS管分配的電流不均勻，承受電流大的那只MOS管容易因過流/過熱擊穿，進而影響剩余MOS管正常工作。為減小由于電流分配不勻造成的不良影響，在MOS管并聯(lián)使用時，建議使用同一型號、同一批次的管子。同時應(yīng)采取一些必要的措施。

2 一種新的MOS管并聯(lián)工作方法

目前常見的MOS管并聯(lián)使用方法有：直接并聯(lián)（圖1a）、G極限流電阻獨立(圖1b)、G極驅(qū)動電路獨立(圖2)等。本方法采用的是G極驅(qū)動電路獨立，并增加閉環(huán)控制。

圖1　MOS管常見并聯(lián)方法

每路MOS管使用獨立的驅(qū)動電路，同時對每個并聯(lián)的MOS管單獨設(shè)置一個采樣電阻，實時采樣其輸出電流，并進行輸出調(diào)整保證各個MOS管的電流是均分的。首先根據(jù)總的輸出電流要求，計算出單個MOS管的理論給定值，并輸出。根據(jù)采樣電阻反饋回的電流大小信息，周期性調(diào)整MOS管G極的給定值，從而改變MOS管的最終輸出電流。根據(jù)使用環(huán)境的不同，選擇合適的調(diào)整周期。一般為50ms～500ms。

3 MOS管在鼓風(fēng)機調(diào)速中的并聯(lián)應(yīng)用

在汽車空調(diào)鼓風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng)中，MOS管一般工作在開關(guān)方式或放大狀態(tài)，這里舉例介紹其工作在放大狀態(tài)的并聯(lián)使用方法。美系車的空調(diào)鼓風(fēng)機驅(qū)動模塊喜歡將MOS管工作在放大狀態(tài)驅(qū)動風(fēng)機轉(zhuǎn)動。這種方法的MOS管發(fā)燙相對嚴重，但對風(fēng)機的要求有所降低，同時不會產(chǎn)生開關(guān)模式下的高頻浪涌，降低EMC干擾。當鼓風(fēng)機的功率較小200W以內(nèi)，在保證其散熱條件下，單個TO-220封裝的MOS管即可滿足使用，或者考慮選用TO-247、TO-3P等較大的封裝。一旦鼓風(fēng)機功率大于200W以上時，就需要考慮并聯(lián)2～3個MOS管增大其負載驅(qū)動能力。如上圖所示，通過獨立的驅(qū)動電路將兩個MOS管并聯(lián)共同驅(qū)動一個風(fēng)機。VCC為風(fēng)機工作主電源，范圍7.5V～16.5V（汽車鼓風(fēng)機工作要求范圍）。因為MOS管G極一般在3～4V時可開啟，9V時才完全導(dǎo)通。確保鼓風(fēng)機全速下，MOS管完全導(dǎo)通，MOS管驅(qū)動電源VCC1正常下為9V。PWM1、PWM2是系統(tǒng)MCU產(chǎn)生的一個5KHz的PWM信號，PWM最大調(diào)整范圍0～65535。MCU通過改變PWM輸出的占空比，控制Q2的導(dǎo)通大小，再經(jīng)過R4、R5、C12構(gòu)成的分壓濾波電路，將PWM開關(guān)信號濾波成直流信號，送到MOS管Q3的G極，進而改變其輸出大小。R7和C13可以消除MOS管的自激振蕩，同時抑制G極電壓的瞬間變化延緩開啟，在風(fēng)機等感性負載驅(qū)動中尤其重要，可有效避免瞬間快速啟動造成MOS管熱擊穿。Rs1為康銅片采樣電阻，用于檢測MOS管上流過的電流。通過運放構(gòu)建的差分放大電路放大后送給MCU進行采樣，從而調(diào)整各自MOS管的PWM給定值。根據(jù)實際測試效果，調(diào)整周期最終選用100ms進行一次簡單的PID調(diào)整PWM輸出，輸出基本無波動。

圖2　MOS管在鼓風(fēng)機調(diào)速中的并聯(lián)應(yīng)用

4 實驗測試結(jié)果及分析

使用功率為380W的汽車空調(diào)鼓風(fēng)機對采用該方法設(shè)計的鼓風(fēng)機調(diào)速模塊進行測試，電源主電壓13.5V，兩路MOS管的D極通過導(dǎo)線引出，串接電流表后并聯(lián)連接到風(fēng)機負極上。同時使用雙通道示波器分別檢測PWM1和PWM2的輸出占空比。實驗測試結(jié)果如表1所示。

表1　實驗測試數(shù)據(jù)

從測試數(shù)據(jù)分析，并聯(lián)的兩只MOS管實際存在差異，但通過閉環(huán)控制后兩只MOS管已經(jīng)實現(xiàn)了輸出自動均流調(diào)節(jié)。均流的精度區(qū)別于電路中各器件的精度以及布線關(guān)系。在使用上述方法時，需要特別注意差分電路的兩個輸入端必須直接從采樣電阻兩端引出，中間盡量不留多余走線，同時電阻精度應(yīng)保證在1%以內(nèi)，保證各路電流采樣的精度。在實際應(yīng)用中還是建議盡量選擇UT、gm、RON等參數(shù)對稱的管子使用，這是減小電流分配不勻現(xiàn)象最基本的方法[3]。

5 結(jié)論

采用本方案設(shè)計的汽車空調(diào)鼓風(fēng)機調(diào)速模塊已經(jīng)定型并量產(chǎn)化投放到市場，產(chǎn)品具有節(jié)能減排的特點，適用于當前市面上多款汽車的空調(diào)系統(tǒng)，為企業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟效益。同時本文介紹的MOS管并聯(lián)使用方法對后續(xù)其它汽車空調(diào)鼓風(fēng)機調(diào)速模塊的研發(fā)具有一定的幫助，同時對其他風(fēng)機控制系統(tǒng)也具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]付忠亮,黃忠毅.汽車空調(diào)電子調(diào)速器老化測試系統(tǒng)的設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2015,3:156～158.

[2]陳毓輝.功率MOS管并聯(lián)方法的研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2012,5:72～76.

[3]趙秋,曲振江.MOSFET管并聯(lián)應(yīng)用時電流分配不均問題探究[J].電子設(shè)計工程,2009,9:65～67.

黃忠毅（1968—），男，浙江龍泉人，浙江毅力汽車空調(diào)有限公司總經(jīng)理，主要從事機電產(chǎn)品的設(shè)計。

付忠亮（1985—），男，浙江龍泉人，浙江毅力汽車空調(diào)有限公司電子工程師，主要從事檢測儀表、智能控制系統(tǒng)方面的研究、開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計。

葉雨（1980—），男，浙江龍泉人，浙江毅力汽車空調(diào)有限公司電子工程師，主要從事機電產(chǎn)品開發(fā)。

陳義（1985—），男，浙江臨海人，浙江毅力汽車空調(diào)有限公司機械工程師，主要從事產(chǎn)品機械設(shè)計。

葉偉?。?981—），男，浙江龍泉人，浙江毅力汽車空調(diào)有限公司電子工程師，主要從事機電產(chǎn)品設(shè)計。

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