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电机控制器_MCU功率器件的选择以及特性

小编通常在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 I_DID 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 ， 并且假设调制比 m = 1 m=1m=1。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 I_LIL：
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 I_LIL 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 I_DID ， 有：
I L = I D I_L=I_DIL=IDI D I_DID ， 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 U_LUL：
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V点的交流线电压 U L U_LUL 的峰值等于直流母线电压 U D C U_{DC}UDC ， 对于SVPWM方式 ， 线电压 U L U_LUL 的有效值为直流母线电压 U D C U_{DC}UDC 的 1 / 2 1/\sqrt{2}1/2 ， 即：
U L = 1 2 ? U D C U_L=\frac{1}{\sqrt{2}}\cdot U_{DC}UL=21?UDCU D C U_{DC}UDC ， 直流母线电压;
3. 电机端的相电流 I p I_pIp：
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 I_pIp 与电机控制器U相的线电流 I L I_LIL 相等：
I p = I L I_p=I_LIp=ILI L I_LIL ， 输出端线电流;
4. 电机端的相电压 U p U_pUp：
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 / 3 1/\sqrt{3}1/3 ， 即：
U p = 1 3 ? U L U_p=\frac{1}{\sqrt{3}}\cdot U_LUp=31?ULU L U_LUL ， 输出端线电压;
5. 有功功率 P PP：
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 U_pUp、通过它的相电流 I p I_pIp、当前功率因数 c o s φ cos\varphicosφ 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 PP 为：
P = 3 ? c o s φ ? U p ? I p P=3\cdot cos\varphi\cdot U_{p}\cdot I_pP=3?cosφ?Up?Ip代入上文得到的相电压 U p U_pUp 和相电流 I p I_pIp 的表达式 ， 得到有功功率 P PP 关于电机控制器线电压 U L U_LUL 和线电流 I L I_LIL 的表达式：
P = 3 ? c o s φ ? U L ? I L P=\sqrt{3}\cdot cos\varphi\cdot U_{L}\cdot I_LP=3?cosφ?UL?IL再代入线电压 U L U_LUL 和线电流 I L I_LIL 的表达式 ， 得到有功功率 P PP 关于直流母线电压 U D C U_{DC}UDC 和漏极电流 I D I_DID 的表达式：
P = 3 2 ? c o s φ ? U D C ? I D P=\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}}\cdot cos\varphi\cdot U_{DC}\cdot I_DP=23?cosφ?UDC?ID以上各式中 ， 
c o s φ cos\varphicosφ ， 功率因数;
U p U_pUp ， 电机端相电压;
I p I_pIp ， 电机端相电流;
U L U_LUL ， 交流输出端线电压;
【电机控制器_MCU功率器件的选择以及特性】 I L I_LIL ， 交流输出端线电流;
U D C U_{DC}UDC ， 直流母线电压;
I D I_DID ， 漏极电流;
6. 漏极电流 I D I_DID：
由有功功率 P PP 的表达式可以反求漏极电流 I D I_DID：
I D = 2 3 ? c o s φ ? P U D C I_D=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}\cdot cos\varphi}\cdot \frac{P}{U_{DC}}ID=3?cosφ2?UDCPP PP ， 有功功率;
c o s φ cos\varphicosφ ， 功率因数;
U D C U_{DC}UDC ， 直流母线电压;
I D C I_{DC}IDC ， 直流母线电流;
需要注意的是 ， 这里漏极电流 I D I_DID 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 I_DID 应为N个MOS的漏极电流之和 。
7. 漏极电流峰值 I D m I_{Dm}IDm：
I D I_DID 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 2 \sqrt{2}2 倍 ， 即：
I D m = 2 ? I D I_{Dm}=\sqrt{2}?I_DIDm=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 I_D/NID/N 和I D m / N I_{Dm}/NIDm/N ， 并使用脉冲漏极电流许用值校核I D m I_{Dm}IDm 。
注意这里是用N个MOS的总漏极电流峰值 I D m 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 D m 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 。

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