为电机驱动提供动力的功率MOSFET

2022年06月16日 11:12
来源:艾睿电子

功率MOSFET是最常见的功率半导体,主要原因是因为其栅极驱动需要的功率小、以及快速的切换速度,使其成为电机驱动时最常用的功率半导体。本文将为您简介功率MOSFET的技术特性,以及由安森美(onsemi)推出的NTBLS1D5N10MC功率MOSFET的产品特性。

MOSFET与IGBT各有优势

功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电子装置中的电压和频率,以及进行直流交流转换等功能,只要在拥有电流电压及相位转换的电路系统中,都会用到功率零部件。基本上,功率半导体大致可分为功率分立器件与功率集成电路二大类,其中,功率分立器件产品包括MOSFET、二极管,及IGBT,当中又以MOSFET与IGBT最为重要。

在低电流区域中,MOSFET的导通电压低于IGBT,但在高电流区域中,IGBT的导通电压则低于MOSFET,特别是在高温条件下,此现象特别明显。IGBT通常以低于20kHz的开关频率使用,因为其开关损耗大于单极MOSFET。MOSFET的优势在于可以适用高频领域,MOSFET工作频率可以适用在从几百KHz到几十MHz的射频产品,而IGBT到达100KHz几乎是最佳工作极限。

MOSFET具有输入阻抗高、驱动功率低、开关速度快、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好等优点,一般来说,MOSFET适用在携带型的充电电池领域,或是移动装置中。至于IGBT则适用在高电压、大功率的设备,如电机、汽车动力电池等。



N沟道功率MOSFET具有较低的导通电阻和较小尺寸

随着MOSFET及CMOS技术持续的演进,自1960年起集成电路开始快速发展,这也是功率MOSFET的设计得以实现的原因。功率MOSFET的优点是其切换速度快,在低电压下的高效率,具备容易实施的并联技术、高带宽、坚固性、偏压简单、容易使用、也易于维修。功率MOSFET可以应用在许多不同的领域中,包括大部份的电源供应器、直流-直流转换器、低电压电机控制器等,以及许多其他的应用。

功率MOSFET按导电沟道可分为P沟道和N沟道,由于N沟道MOSFET具有较低的导通电阻(RDS(on))和较小尺寸,N沟道MOSFET在产品应用的选择性上超过了P沟道。同步整流器应用则几乎都是使用N沟道技术,这主要是因为N沟道的RDS(on)小于P沟道,并且可通过在栅极上施加正电压导通。

功率MOSFET多数是载流子器件,N沟道MOSFET在导电过程中有电子流动,P沟道在导电期间使用被称为空穴的正电荷。电子的流动性是空穴的三倍。尽管没有直接的相关性,就RDS(on)而言,为得到相等的值,P沟道的管芯尺寸大约是N沟道的三倍,因此N沟道的管芯尺寸更小。



用于电机驱动的MOSFET驱动器

在电机驱动系统中,栅极驱动器或“预驱动器”IC常与N沟道功率MOSFET一起使用,以提供驱动电机所需的大电流。在选择驱动器IC、MOSFET以及某些情况下用到的相关无源组件时,有很多需要考虑的设计因素。

想要为直流电机(无论是有刷电机,还是三相无刷电机)设计驱动器,便应从电机的特性来决定驱动器的设计细节,其中两个主要因素就是电机的工作电压和电流要求。在一般情况下,电机具有给定的额定电压和额定电流,但在实际工作中,这些数值可能与额定值不同。电机的实际速度取决于所施加的电压,电机所需的电流取决于所施加的扭矩。因此,驱动器设计不一定需要完全满足电机的规格。

为确保所选功率MOSFET的额定值至少等于电机所需的电源电压和最大电流,甚至最好留有一定裕量,以确保能够发挥最佳的效能。通常MOSFET的漏源电压额定值(VDS)应至少比电源电压高20%。在某些情况下,尤其是在电流大、扭矩步长较大、电源控制不良的系统中,MOSFET的额定电流必须足够高,才能提供电机所需的峰值电流。

此外,散热也是选择MOSFET的重点,MOSFET耗散功率会在漏源电阻RDS(ON)中产生热量,包括环境温度和MOSFET散热在内的热条件,决定了可以耗散的功率,而最大允许功耗最终决定则基于MOSFET的RDS(ON)值。此外,还需要考虑总栅极电荷(QG),栅极电荷用于度量导通和关断MOSFET所需的电荷量,较低QG的MOSFET更易于驱动,与具有较高QG的MOSFET相比,它可以以较低的栅极驱动电流进行更快的切换。



优异的功率MOSFET特性满足应用需求

安森美在功率MOSFET领域在业界居于领先地位,并针对不同的应用需求,推出各种规格的功率MOSFET,包括用于电源转换和开关电路的N沟道、P沟道和互补MOSFET。

本文介绍的NTBLS1D5N10MC,是一款单极、N沟道的功率MOSFET,支持TOLL封装,可输出100 V、1.53 mΩ、298 A的功率,具备低RDS(ON)、低总栅极电荷(QG)和电容,具有较低的开关噪声/电磁干扰(EMI),并是无铅、无卤素/无溴化阻燃剂(BFR)的器件,并且符合RoHS标准,可最小化传导损耗,最大限度地减少驱动器损失,可应用于电动工具、电池供电的真空吸尘器、无人机、物料搬运、电池管理系统(BMS)/存储、家庭自动化等领域,常见的最终产品包括电机控制、工业电源与太阳能逆变器等。

结语

电机驱动应用相当广泛,其中功率MOSFET更扮演着重要的角色,安森美拥有种类多样的功率MOSFET产品线,其中的NTBLS1D5N10MC单极、N沟道的功率MOSFET将能够满足相关应用的严苛需求,是电机驱动控制的最佳选择之一。