提供工业自动化设备稳定的电源驱动力

2022年08月17日 10:11
来源:艾睿电子

机器人与工业自动化设备已经是工业生产过程中不可缺席的要角,如今机器人也陆续朝向家用与商用市场发展,以不同的形态、功能,出现在消费者的面前。这些机器人都需要稳定的电源来驱动电机与控制系统,MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)便在其中扮演重要的角色。本文将为您介绍MOSFET的发展历程,以及安森美(onsemi)所推出的功率MOSFET的功能特性。

MOSFET历史悠久持续演进

场效应晶体管(FET)背后的理论自1920~1930年就已为人所知,这比双极结型晶体管(BJT)的发明早了20年,但由于缺乏合适的半导体材料和技术不成熟,发展非常缓慢。当时,美国的Julius Edgar Lilienfeld提出了一种晶体管模型,每侧有两个金属触点,半导体顶部有一块金属板(铝)。由金属板提供的电压形成的半导体表面的电场,能够控制金属触点之间的电流,这是FET的最初概念,William Shockely则于1952年推出了结型场效应晶体管(JFET)。

MOSFET在1960年由贝尔实验室的Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng首次实作成功,这种组件和Shockely等人发明的BJT的操作原理有相当大的差异,且因为MOSFET的制造成本更为低廉,并具有面积较小、高集成度的优势,在大规模集成电路设计与制造上,其重要性远超过BJT。MOSFET已经是现代电子产品的基本组成部分,也是历史上制造最频繁的器件。

与BJT相比,MOSFET具有更快的开关速度(非常适合数字信号)、更小的尺寸、显著降低的功耗,以及更高的密度(适合大规模集成)。此外,MOSFET也更便宜,并且具有相对简单的加工步骤,从而拥有高制造良率。

近年来由于MOSFET组件朝向微缩和小型化发展,MOSFET的效能逐渐提升,推动着电子半导体技术快速的呈指数级增长,并支持存储芯片和微处理器等高密度IC等数字信号处理的应用,也有越来越多模拟信号处理的集成电路可以用MOSFET来实现,应用领域越来越广泛。



功率MOSFET重要性日增市场日益庞大

功率MOSFET则是专门处理大功率的电压和电流的MOSFET,也是功率半导体的一种。早期电源应用是使用BJT作为开关器件,但因为其有一些缺点,导致了功率MOSFET的发展,经过不断的研究改进使MOSFET具备替代BJT的特性,使得功率MOSFET常用于开关模式电源(SMPS)、电脑外围设备、汽车和电机控制等应用。

功率MOSFET的优点是其切换速度快,在低电压下具有高效率。功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)都有隔离的栅体,因此在驱动上比较容易。功率MOSFET的缺点是增益较小,有时栅极驱动的电压甚至比实际要控制的电压还低。

随着MOSFET及CMOS技术持续的演进,自1960年起MOSFET已用在集成电路上,这也是功率MOSFET的设计得以实现的原因。功率MOSFET自1970年代开始便有商品贩卖,目前更是百家争鸣,市面上的产品相当多样。

功率MOSFET是世界上最常见的功率半导体器件,因为其可实现低栅极驱动功率、快速开关速度和先进的并联能力,并具有高带宽、坚固耐用、易于驱动、偏压简单、容易使用、容易维修等特性,尤其是应用最广泛的低压(小于200 V)开关,包括大部份的电源供应器、DC-DC转换器、低电压电机控制器等,以及许多其他的应用,市场空间相当庞大。



依据应用需求来选择合适的MOSFET

市面上生产MOSFET的厂家众多,型号与类型更是多如过江之鲫,导致工程师常会出现MOSFET的选择困难。当然,选择MOSFET得先观看厂家提供的数据表,然后依据自己的应用需求来选择合适的产品。

选择MOSFET首先要确认电压等级,再来则是导通电阻(RDS(on))、额定电流、功率耗散。不过,由于MOSFET会受到工作温度的影响,因此得先了解该器件的测试条件,数据表上的数值是“最大”或是“典型”值,这都会影响到器件的实际表现。

此外,MOSFET的选型还可分成四个步骤。首先要决定选用N沟道还是P沟道,若是MOSFET使用在低压侧开关中,应采用N沟道MOSFET,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时,就要用高压侧开关,通常会采用P沟道MOSFET。

再来则是选择MOSFET额定电流,该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流,即是系统在连续模式和脉冲尖峰时所产生的尖峰电流,因此只需选择能承受这个最大电流的器件即可。

接下来则是确定热需求,设计人员必须考虑最坏情况和真实情况下的系统散热要求,建议要以最坏情况的计算结果作为主要考虑,以提供更大的安全余量,确保系统不会失效。

最后则是要决定开关性能,影响开关性能的参数有很多,但最重要的是电容所产生的开关损耗,因为在每次开关时都要对电容充电,因此会影响到器件的效率。



提升电机运作效能的功率MOSFET

近年来,随着机器人与自动化设备应用的快速发展,在这些设备中,采用了数量庞大的电机,用以控制机器零部件与自身的移动,因此需要众多的功率MOSFET来驱动电机。安森美针对电机驱动应用,推出了NTBLS1D5N10MC这款单极、N沟道的功率MOSFET。

安森美的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、312 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,可应用于机器人与自动化设备、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

机器人与自动化设备采用了众多的电机来驱动机器运转,因此采用高效率、稳定的功率MOSFET来驱动电机,将是提升设备运作效率的关键。安森美是重要的MOSFET供应商之一,提供多样的MOSFET产品线,并针对电机驱动应用推出相对应的功率MOSFET,将会是机器人与自动化设备应用的最佳选择。