為電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力的功率MOSFET

功率 MOSFET 是最常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體，主要原因是因?yàn)槠鋿艠O驅(qū)動(dòng)需要的功率小、以及快速的切換速度，使其成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)最常用的功率半導(dǎo)體。本文將為您簡(jiǎn)介功率 MOSFET 的技術(shù)特性，以及由安森美（onsemi）推出的NTBLS1D5N10MC功率MOSFET的產(chǎn)品特性。

MOSFET與IGBT各有優(yōu)勢(shì)

功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中的電壓和頻率，以及進(jìn)行直流交流轉(zhuǎn)換等功能，只要在擁有電流電壓及相位轉(zhuǎn)換的電路系統(tǒng)中，都會(huì)用到功率零部件。基本上，功率半導(dǎo)體大致可分為功率分立器件與功率集成電路二大類，其中，功率分立器件產(chǎn)品包括MOSFET、二極管，及IGBT，當(dāng)中又以MOSFET與IGBT最為重要。

在低電流區(qū)域中，MOSFET的導(dǎo)通電壓低于IGBT，但在高電流區(qū)域中，IGBT的導(dǎo)通電壓則低于MOSFET，特別是在高溫條件下，此現(xiàn)象特別明顯。IGBT通常以低于20kHz的開(kāi)關(guān)頻率使用，因?yàn)槠溟_(kāi)關(guān)損耗大于單極MOSFET。MOSFET的優(yōu)勢(shì)在于可以適用高頻領(lǐng)域，MOSFET工作頻率可以適用在從幾百KHz到幾十MHz的射頻產(chǎn)品，而IGBT到達(dá)100KHz幾乎是最佳工作極限。

MOSFET具有輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率低、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿、安全工作區(qū)寬、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)，MOSFET適用在攜帶型的充電電池領(lǐng)域，或是移動(dòng)裝置中。至于IGBT則適用在高電壓、大功率的設(shè)備，如電機(jī)、汽車動(dòng)力電池等。

N溝道功率MOSFET具有較低的導(dǎo)通電阻和較小尺寸

隨著MOSFET及CMOS技術(shù)持續(xù)的演進(jìn)，自1960年起集成電路開(kāi)始快速發(fā)展，這也是功率MOSFET的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)的原因。功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是其切換速度快，在低電壓下的高效率，具備容易實(shí)施的并聯(lián)技術(shù)、高帶寬、堅(jiān)固性、偏壓簡(jiǎn)單、容易使用、也易于維修。功率MOSFET可以應(yīng)用在許多不同的領(lǐng)域中，包括大部份的電源供應(yīng)器、直流-直流轉(zhuǎn)換器、低電壓電機(jī)控制器等，以及許多其他的應(yīng)用。

功率MOSFET按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道，由于N溝道MOSFET具有較低的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）和較小尺寸，N溝道MOSFET在產(chǎn)品應(yīng)用的選擇性上超過(guò)了P溝道。同步整流器應(yīng)用則幾乎都是使用N溝道技術(shù)，這主要是因?yàn)镹溝道的RDS(on)小于P溝道，并且可通過(guò)在柵極上施加正電壓導(dǎo)通。

功率MOSFET多數(shù)是載流子器件，N溝道MOSFET在導(dǎo)電過(guò)程中有電子流動(dòng)，P溝道在導(dǎo)電期間使用被稱為空穴的正電荷。電子的流動(dòng)性是空穴的三倍。盡管沒(méi)有直接的相關(guān)性，就RDS(on)而言，為得到相等的值，P溝道的管芯尺寸大約是N溝道的三倍，因此N溝道的管芯尺寸更小。

用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的MOSFET驅(qū)動(dòng)器

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，柵極驅(qū)動(dòng)器或 “預(yù)驅(qū)動(dòng)器” IC常與N溝道功率MOSFET一起使用，以提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的大電流。在選擇驅(qū)動(dòng)器IC、MOSFET以及某些情況下用到的相關(guān)無(wú)源組件時(shí)，有很多需要考慮的設(shè)計(jì)因素。

想要為直流電機(jī)（無(wú)論是有刷電機(jī)，還是三相無(wú)刷電機(jī)）設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器，便應(yīng)從電機(jī)的特性來(lái)決定驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，其中兩個(gè)主要因素就是電機(jī)的工作電壓和電流要求。在一般情況下，電機(jī)具有給定的額定電壓和額定電流，但在實(shí)際工作中，這些數(shù)值可能與額定值不同。電機(jī)的實(shí)際速度取決于所施加的電壓，電機(jī)所需的電流取決于所施加的扭矩。因此，驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)不一定需要完全滿足電機(jī)的規(guī)格。

為確保所選功率MOSFET的額定值至少等于電機(jī)所需的電源電壓和最大電流，甚至最好留有一定裕量，以確保能夠發(fā)揮最佳的效能。通常MOSFET的漏源電壓額定值（VDS）應(yīng)至少比電源電壓高20%。在某些情況下，尤其是在電流大、扭矩步長(zhǎng)較大、電源控制不良的系統(tǒng)中，MOSFET的額定電流必須足夠高，才能提供電機(jī)所需的峰值電流。

此外，散熱也是選擇MOSFET的重點(diǎn)，MOSFET耗散功率會(huì)在漏源電阻RDS(ON)中產(chǎn)生熱量，包括環(huán)境溫度和MOSFET散熱在內(nèi)的熱條件，決定了可以耗散的功率，而最大允許功耗最終決定則基于MOSFET的RDS(ON)值。此外，還需要考慮總柵極電荷（QG），柵極電荷用于度量導(dǎo)通和關(guān)斷MOSFET所需的電荷量，較低QG的MOSFET更易于驅(qū)動(dòng)，與具有較高QG的MOSFET相比，它可以以較低的柵極驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行更快的切換。

優(yōu)異的功率MOSFET特性滿足應(yīng)用需求

安森美在功率MOSFET領(lǐng)域在業(yè)界居于領(lǐng)先地位，并針對(duì)不同的應(yīng)用需求，推出各種規(guī)格的功率MOSFET，包括用于電源轉(zhuǎn)換和開(kāi)關(guān)電路的N溝道、P溝道和互補(bǔ)MOSFET。

本文介紹的NTBLS1D5N10MC，是一款單極、N溝道的功率MOSFET，支持TOLL封裝，可輸出100 V、1.53 mΩ、298 A的功率，具備低RDS(ON)、低總柵極電荷（QG）和電容，具有較低的開(kāi)關(guān)噪聲／電磁干擾（EMI），并是無(wú)鉛、無(wú)鹵素／無(wú)溴化阻燃劑（BFR）的器件，并且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，可最小化傳導(dǎo)損耗，最大限度地減少驅(qū)動(dòng)器損失，可應(yīng)用于電動(dòng)工具、電池供電的真空吸塵器、無(wú)人機(jī)、物料搬運(yùn)、電池管理系統(tǒng)（BMS）／存儲(chǔ)、家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域，常見(jiàn)的最終產(chǎn)品包括電機(jī)控制、工業(yè)電源與太陽(yáng)能逆變器等。

結(jié)語(yǔ)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其中功率MOSFET更扮演著重要的角色，安森美擁有種類多樣的功率MOSFET產(chǎn)品線，其中的NTBLS1D5N10MC單極、N溝道的功率MOSFET將能夠滿足相關(guān)應(yīng)用的嚴(yán)苛需求，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的最佳選擇之一。