功率MOS管在鼓風機調速中的并聯應用

浙江毅力汽車空調有限公司 黃忠毅 付忠亮 葉 雨 陳 義 葉偉俊

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功率MOS管在鼓風機調速中的并聯應用

浙江毅力汽車空調有限公司 黃忠毅 付忠亮 葉 雨 陳 義 葉偉俊

【摘要】介紹了一種功率MOS管的并聯應用方法。首先對MOS管并聯需要注意的問題進行了探討，然后介紹了一種新的并聯方法的工作原理,并給出了在汽車空調鼓風機調速系統中的實際應用電路。結合實驗測試結果,對該并聯方法的優缺點進行了分析。

【關鍵詞】MOS管；風機調速；均流

引言

隨著社會經濟和科學技術的快速發展，汽車已經成為人們生活中的主要消費品之一，并逐漸影響和改變人們的生活。目前國家大力提倡節能減排和使用新能源，汽車電子行業應積極響應號召，研究新技術，發展新能源產品。汽車空調鼓風機電子調速器作為汽車空調的重要組成部分，市場需求也逐年擴大[1]。汽車電子鼓風機電子調速器主要由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鍵的部分，它的好壞直接影響了電子調速模塊的最終質量。一般選用汽車級的功率MOS管，特點為低導通內阻、低壓、大電流。某些車型空調鼓風機的功率相對較大，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管并聯使用。但因為MOS管的自身特性，又不能簡單的直接并聯使用。因此，本文介紹了一種新的MOS管并聯應用的方法。

1 MOS管并聯需要注意的問題

功率MOSFET管的導通電阻雖然具有正的溫度特性，對電流具有自動調節能力，較易于并聯應用。但由于器件自身參數不一致，如：導通電阻Ron、柵閾電壓UT、跨導gm、及極間電容Cgs、Cgd等；柵極電路參數不一致，如：柵極電路串聯電阻Rg和柵極電路分布電感Lg等；漏源極電路參數不一致，如：漏源極電路分布電感L0、LS 等[2],會使并聯應用的功率MOSFET管產生電流分配不均問題,尤其在風機驅動系統中，風機冷啟動瞬間電流較大，而此時MOS管自身溫度不均勻，熱平衡調節不明顯，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管并聯使用時，建議使用同一型號、同一批次的管子。同時應采取一些必要的措施。

2 一種新的MOS管并聯工作方法

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

圖1　MOS管常見并聯方法

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

3 MOS管在鼓風機調速中的并聯應用

在汽車空調鼓風機調速系統中，MOS管一般工作在開關方式或放大狀態，這里舉例介紹其工作在放大狀態的并聯使用方法。美系車的空調鼓風機驅動模塊喜歡將MOS管工作在放大狀態驅動風機轉動。這種方法的MOS管發燙相對嚴重，但對風機的要求有所降低，同時不會產生開關模式下的高頻浪涌，降低EMC干擾。當鼓風機的功率較小200W以內，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。一旦鼓風機功率大于200W以上時，就需要考慮并聯2～3個MOS管增大其負載驅動能力。如上圖所示，通過獨立的驅動電路將兩個MOS管并聯共同驅動一個風機。VCC為風機工作主電源，范圍7.5V～16.5V（汽車鼓風機工作要求范圍）。因為MOS管G極一般在3～4V時可開啟，9V時才完全導通。確保鼓風機全速下，MOS管完全導通，MOS管驅動電源VCC1正常下為9V。PWM1、PWM2是系統MCU產生的一個5KHz的PWM信號，PWM最大調整范圍0～65535。MCU通過改變PWM輸出的占空比，控制Q2的導通大小，再經過R4、R5、C12構成的分壓濾波電路，將PWM開關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，在風機等感性負載驅動中尤其重要，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。通過運放構建的差分放大電路放大后送給MCU進行采樣，從而調整各自MOS管的PWM給定值。根據實際測試效果，調整周期最終選用100ms進行一次簡單的PID調整PWM輸出，輸出基本無波動。

圖2　MOS管在鼓風機調速中的并聯應用

4 實驗測試結果及分析

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

表1　實驗測試數據

從測試數據分析，并聯的兩只MOS管實際存在差異，但通過閉環控制后兩只MOS管已經實現了輸出自動均流調節。均流的精度區別于電路中各器件的精度以及布線關系。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，同時電阻精度應保證在1%以內，保證各路電流采樣的精度。在實際應用中還是建議盡量選擇UT、gm、RON等參數對稱的管子使用，這是減小電流分配不勻現象最基本的方法[3]。

5 結論

采用本方案設計的汽車空調鼓風機調速模塊已經定型并量產化投放到市場，產品具有節能減排的特點，適用于當前市面上多款汽車的空調系統，為企業帶來了較好的經濟效益。同時本文介紹的MOS管并聯使用方法對后續其它汽車空調鼓風機調速模塊的研發具有一定的幫助，同時對其他風機控制系統也具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]付忠亮,黃忠毅.汽車空調電子調速器老化測試系統的設計[J].數字技術與應用,2015,3:156～158.

[2]陳毓輝.功率MOS管并聯方法的研究[J].自動化技術與應用,2012,5:72～76.

[3]趙秋,曲振江.MOSFET管并聯應用時電流分配不均問題探究[J].電子設計工程,2009,9:65～67.

黃忠毅（1968—），男，浙江龍泉人，浙江毅力汽車空調有限公司總經理，主要從事機電產品的設計。

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

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

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

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

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