电机控制器(MCU)功率器件选型参数计算_电机控制器参数计算

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 $I_D$ 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 $m=1$ 。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 $I_L$：

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 $I_L$ 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 $I_D$，有：

$$I_L=I_D$$

$I_D$，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 $U_L$：

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 $U_L$ 的峰值等于直流母线电压 $U_{DC}$，对于SVPWM方式，线电压 $U_L$ 的有效值为直流母线电压 $U_{DC}$ 的 $1/\sqrt{2}$，即：

$$U_L=\frac{1}{\sqrt{2}}\cdot U_{DC}$$

$U_{DC}$，直流母线电压；

3. 电机端的相电流 $I_p$：

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 $I_p$ 与电机控制器U相的线电流 $I_L$ 相等：

$$I_p=I_L$$

$I_L$，输出端线电流；

4. 电机端的相电压 $U_p$：

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 $1/\sqrt{3}$，即：

$$U_p=\frac{1}{\sqrt{3}}\cdot U_L$$

$U_L$，输出端线电压；

5. 有功功率 $P$：

考虑电机A相绕组，其有功功率等于加在它身上的相电压 $U_p$、通过它的相电流 $I_p$、当前功率因数 $cos\phi$ 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 $P$ 为：

$$P=3\cdot cos\phi \cdot U_p\cdot I_p$$

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

$$P=\sqrt{3}\cdot cos\phi \cdot U_L\cdot I_L$$

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

$$P=\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}}\cdot cos\phi \cdot U_{DC}\cdot I_D$$

以上各式中，
$cos\phi$，功率因数；
$U_p$，电机端相电压；
$I_p$，电机端相电流；
$U_L$，交流输出端线电压；
$I_L$，交流输出端线电流；
$U_{DC}$，直流母线电压；
$I_D$，漏极电流；

6. 漏极电流 $I_D$：

由有功功率 $P$ 的表达式可以反求漏极电流 $I_D$：

$$I_D=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}\cdot cos\phi }\cdot \frac{P}{U_{DC}}$$

$P$，有功功率；
$cos\phi$，功率因数；
$U_{DC}$，直流母线电压；
$I_{DC}$，直流母线电流；

需要注意的是，这里漏极电流 $I_D$ 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 $I_D$ 应为N个MOS的漏极电流之和。

7. 漏极电流峰值 $I_{Dm}$：

$I_D$ 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 $\sqrt{2}$ 倍，即：

$$I_{Dm}=\sqrt{2}\cdot I_D$$

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 $I_D/N$ 和$I_{Dm}/N$，并使用脉冲漏极电流许用值校核$I_{Dm}$。

注意这里是用N个MOS的总漏极电流峰值 $I_{Dm}$ 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 $I_{Dm}$。

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）

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（好吧，其实是说不明白……）