功率MOS管在鼓风机调速中的并联应用

浙江毅力汽车空调有限公司 黄忠毅 付忠亮 叶 雨 陈 义 叶伟俊



功率MOS管在鼓风机调速中的并联应用

浙江毅力汽车空调有限公司 黄忠毅 付忠亮 叶 雨 陈 义 叶伟俊

【摘要】介绍了一种功率MOS管的并联应用方法。首先对MOS管并联需要注意的问题进行了探讨，然后介绍了一种新的并联方法的工作原理,并给出了在汽车空调鼓风机调速系统中的实际应用电路。结合实验测试结果,对该并联方法的优缺点进行了分析。

【关键词】MOS管；风机调速；均流

引言

随着社会经济和科学技术的快速发展，汽车已经成为人们生活中的主要消费品之一，并逐渐影响和改变人们的生活。目前国家大力提倡节能减排和使用新能源，汽车电子行业应积极响应号召，研究新技术，发展新能源产品。汽车空调鼓风机电子调速器作为汽车空调的重要组成部分，市场需求也逐年扩大[1]。汽车电子鼓风机电子调速器主要由MCU、功率MOS管、以及电阻电容等一些外围器件组成，而功率MOS管是其最核心亦最关键的部分，它的好坏直接影响了电子调速模块的最终质量。一般选用汽车级的功率MOS管，特点为低导通内阻、低压、大电流。某些车型空调鼓风机的功率相对较大，存在一般的单个MOS管无法满足其功率要求，而大功率MOS管成本又偏高的情况，往往需要将两三个MOS管并联使用。但因为MOS管的自身特性，又不能简单的直接并联使用。因此，本文介绍了一种新的MOS管并联应用的方法。

1 MOS管并联需要注意的问题

功率MOSFET管的导通电阻虽然具有正的温度特性，对电流具有自动调节能力，较易于并联应用。但由于器件自身参数不一致，如：导通电阻Ron、栅阈电压UT、跨导gm、及极间电容Cgs、Cgd等；栅极电路参数不一致，如：栅极电路串联电阻Rg和栅极电路分布电感Lg等；漏源极电路参数不一致，如：漏源极电路分布电感L0、LS 等[2],会使并联应用的功率MOSFET管产生电流分配不均问题,尤其在风机驱动系统中，风机冷启动瞬间电流较大，而此时MOS管自身温度不均匀，热平衡调节不明显，各个MOS管分配的电流不均匀，承受电流大的那只MOS管容易因过流/过热击穿，进而影响剩余MOS管正常工作。为减小由于电流分配不匀造成的不良影响，在MOS管并联使用时，建议使用同一型号、同一批次的管子。同时应采取一些必要的措施。

2 一种新的MOS管并联工作方法

目前常见的MOS管并联使用方法有：直接并联（图1a）、G极限流电阻独立(图1b)、G极驱动电路独立(图2)等。本方法采用的是G极驱动电路独立，并增加闭环控制。

图1　MOS管常见并联方法

每路MOS管使用独立的驱动电路，同时对每个并联的MOS管单独设置一个采样电阻，实时采样其输出电流，并进行输出调整保证各个MOS管的电流是均分的。首先根据总的输出电流要求，计算出单个MOS管的理论给定值，并输出。根据采样电阻反馈回的电流大小信息，周期性调整MOS管G极的给定值，从而改变MOS管的最终输出电流。根据使用环境的不同，选择合适的调整周期。一般为50ms～500ms。

3 MOS管在鼓风机调速中的并联应用

在汽车空调鼓风机调速系统中，MOS管一般工作在开关方式或放大状态，这里举例介绍其工作在放大状态的并联使用方法。美系车的空调鼓风机驱动模块喜欢将MOS管工作在放大状态驱动风机转动。这种方法的MOS管发烫相对严重，但对风机的要求有所降低，同时不会产生开关模式下的高频浪涌，降低EMC干扰。当鼓风机的功率较小200W以内，在保证其散热条件下，单个TO-220封装的MOS管即可满足使用，或者考虑选用TO-247、TO-3P等较大的封装。一旦鼓风机功率大于200W以上时，就需要考虑并联2～3个MOS管增大其负载驱动能力。如上图所示，通过独立的驱动电路将两个MOS管并联共同驱动一个风机。VCC为风机工作主电源，范围7.5V～16.5V（汽车鼓风机工作要求范围）。因为MOS管G极一般在3～4V时可开启，9V时才完全导通。确保鼓风机全速下，MOS管完全导通，MOS管驱动电源VCC1正常下为9V。PWM1、PWM2是系统MCU产生的一个5KHz的PWM信号，PWM最大调整范围0～65535。MCU通过改变PWM输出的占空比，控制Q2的导通大小，再经过R4、R5、C12构成的分压滤波电路，将PWM开关信号滤波成直流信号，送到MOS管Q3的G极，进而改变其输出大小。R7和C13可以消除MOS管的自激振荡，同时抑制G极电压的瞬间变化延缓开启，在风机等感性负载驱动中尤其重要，可有效避免瞬间快速启动造成MOS管热击穿。Rs1为康铜片采样电阻，用于检测MOS管上流过的电流。通过运放构建的差分放大电路放大后送给MCU进行采样，从而调整各自MOS管的PWM给定值。根据实际测试效果，调整周期最终选用100ms进行一次简单的PID调整PWM输出，输出基本无波动。

图2　MOS管在鼓风机调速中的并联应用

4 实验测试结果及分析

使用功率为380W的汽车空调鼓风机对采用该方法设计的鼓风机调速模块进行测试，电源主电压13.5V，两路MOS管的D极通过导线引出，串接电流表后并联连接到风机负极上。同时使用双通道示波器分别检测PWM1和PWM2的输出占空比。实验测试结果如表1所示。

表1　实验测试数据

从测试数据分析，并联的两只MOS管实际存在差异，但通过闭环控制后两只MOS管已经实现了输出自动均流调节。均流的精度区别于电路中各器件的精度以及布线关系。在使用上述方法时，需要特别注意差分电路的两个输入端必须直接从采样电阻两端引出，中间尽量不留多余走线，同时电阻精度应保证在1%以内，保证各路电流采样的精度。在实际应用中还是建议尽量选择UT、gm、RON等参数对称的管子使用，这是减小电流分配不匀现象最基本的方法[3]。

5 结论

采用本方案设计的汽车空调鼓风机调速模块已经定型并量产化投放到市场，产品具有节能减排的特点，适用于当前市面上多款汽车的空调系统，为企业带来了较好的经济效益。同时本文介绍的MOS管并联使用方法对后续其它汽车空调鼓风机调速模块的研发具有一定的帮助，同时对其他风机控制系统也具有一定的参考价值。

参考文献

[1]付忠亮,黄忠毅.汽车空调电子调速器老化测试系统的设计[J].数字技术与应用,2015,3:156～158.

[2]陈毓辉.功率MOS管并联方法的研究[J].自动化技术与应用,2012,5:72～76.

[3]赵秋,曲振江.MOSFET管并联应用时电流分配不均问题探究[J].电子设计工程,2009,9:65～67.

黄忠毅（1968—），男，浙江龙泉人，浙江毅力汽车空调有限公司总经理，主要从事机电产品的设计。

付忠亮（1985—），男，浙江龙泉人，浙江毅力汽车空调有限公司电子工程师，主要从事检测仪表、智能控制系统方面的研究、开发和产品设计。

叶雨（1980—），男，浙江龙泉人，浙江毅力汽车空调有限公司电子工程师，主要从事机电产品开发。

陈义（1985—），男，浙江临海人，浙江毅力汽车空调有限公司机械工程师，主要从事产品机械设计。

叶伟俊（1981—），男，浙江龙泉人，浙江毅力汽车空调有限公司电子工程师，主要从事机电产品设计。

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