如何最大限度地減少電池供電電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的 MOSFET 傳導(dǎo)損耗

許多應(yīng)用使用低壓電池（2-10 節(jié)鋰離子）供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如電動(dòng)工具、園林工具和真空吸塵器。這些工具使用有刷或無刷直流電機(jī)(BLDC)。BLDC 電機(jī)效率更高，維護(hù)更少，噪音更低，使用壽命更長(zhǎng)。

驅(qū)動(dòng)這些工具所需的功率級(jí)最重要的性能要求是小尺寸、高效率、更好的熱性能、可靠的保護(hù)和峰值電流能力。功率級(jí)的小尺寸可實(shí)現(xiàn)靈活的安裝、更好的電路板布局性能和低成本設(shè)計(jì)。高效率可提供最長(zhǎng)的電池壽命并減少冷卻工作。

為了獲得更高的效率，重要的是分析功率級(jí)中的損耗并找到降低總損耗的方法。逆變器中損耗的主要貢獻(xiàn)者來自 MOSFET。

在電動(dòng)工具、園林工具和真空吸塵器等電池供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，MOSFET傳導(dǎo)損耗約占逆變器總損耗的 60-80%。MOSFET 中的傳導(dǎo)損耗取決于 FET 的通態(tài)電阻 (R DS_ON ) 和通過 FET 的 RMS（均方根）電流，使用公式 1 計(jì)算得出：

為減少傳導(dǎo)損耗，請(qǐng)選擇具有最小 R DS_ON的 MOSFET 。TI 的 CSD17576Q5B (R DS_ON = 2mΩ)、CSD17573Q5B (R DS_ON = 1mΩ) 和 CSD17570Q5B (R DS_ON = 0.69mΩ) 是具有極低 R DS_ON的 30V、5mm×6mm SMD MOSFET ，可幫助我們設(shè)計(jì)高效率功率級(jí)。 

然而，選擇具有最小 R DS_ON的 MOSFET 并不能完全降低傳導(dǎo)損耗。柵極驅(qū)動(dòng)器還在確定 MOSFET 傳導(dǎo)損耗方面發(fā)揮作用。讓我們看看如何。

FET的R DS_ON不是一個(gè)常數(shù)，主要取決于兩個(gè)因素：

· MOSFET的可用柵源電壓 (V GS )。

· MOSFET 外殼溫度。

圖 1 顯示了典型 MOSFET（CSD17576Q5B）的 R DS_ON隨 V GS和溫度的變化。

以最小 R DS_ON操作 MOSFET ：

· MOSFET 外殼溫度應(yīng)盡可能低。我們可以通過更好的冷卻努力來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：增加 PCB 面積、連接散熱器或提供強(qiáng)制氣流。然而，所有這些努力都需要額外的成本。

· 使用高效智能柵極驅(qū)動(dòng)器以最大 V GS（在 FET 的最大 V GS額定值內(nèi)）驅(qū)動(dòng) FET。

如果我們查看 R DS_ON與 V GS曲線，最小 R DS_ON出現(xiàn)在 20V 的 V GS處。對(duì)于大多數(shù)功率 FET，絕對(duì)最大 V GS額定值為 20V，并且應(yīng)在 V GS中提供良好的設(shè)計(jì)余量，以實(shí)現(xiàn) MOSFET 和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。進(jìn)一步從圖 1(a) 可以看出，從 10V 到 20V，R DS_ON的變化相當(dāng)小。因此，如果我們考慮 V GS上的安全裕度，則從 10V 到 15V 的任何柵極驅(qū)動(dòng)電壓都應(yīng)該足以以最小 R DS_ON驅(qū)動(dòng) FET. 大多數(shù) MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器具有 10V-15V 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓輸出，并提供不同的拓?fù)渑渲?，如低?cè)或高側(cè)、半橋、全橋或三相。

非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器使用集成或外部線性或開關(guān)穩(wěn)壓器從電池電源電壓中獲取柵極驅(qū)動(dòng)電壓。在某些柵極驅(qū)動(dòng)器中，隨著電池直流電壓的下降，柵極驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)下降，具體取決于可用的直流總線電壓。

如果我們的應(yīng)用要求功率級(jí)的工作電壓降低到較低的電壓（例如在兩節(jié)鋰離子電池的情況下為 5V），則普通柵極驅(qū)動(dòng)器只能在柵極到源極提供 5V 或更低電壓；MOSFET 將以高 R DS_ON導(dǎo)通。這會(huì)在低直流總線電壓下大幅降低功率級(jí)效率。因此，即使在較低的直流總線電壓下，我們也可能更喜歡具有較高柵極驅(qū)動(dòng)電壓的柵極驅(qū)動(dòng)器。

讓我們看看德州儀器 (TI) 的 DRV8305 三相柵極驅(qū)動(dòng)器如何為我們提供幫助。

DRV8305 是一款三相柵極驅(qū)動(dòng)器，工作電壓范圍為 4.5V 至 45V，內(nèi)部電荷泵支持 100% 占空比。該器件可以支持低電壓應(yīng)用，例如由 2 節(jié)鋰離子電池供電的電動(dòng)工具。DRV8305 使用三重電荷泵為高側(cè) N 溝道 MOSFET 生成適當(dāng)?shù)臇旁措妷浩谩Ｅc流行的自舉架構(gòu)類似，電荷泵產(chǎn)生浮動(dòng)電源電壓以啟用 MOSFET。為支持低電壓運(yùn)行，DRV8305 a 使用穩(wěn)壓三電荷泵方案來產(chǎn)生足夠的 V GS以在低電壓瞬變或低直流總線電壓期間驅(qū)動(dòng)逆變器中的標(biāo)準(zhǔn)和邏輯電平高側(cè) MOSFET。

當(dāng)可用直流輸入電壓為 4.4V 至 18V 時(shí)，DRV8305 的電荷泵以三重模式調(diào)節(jié)電壓。超過 18V 到最大工作電壓時(shí)，它會(huì)切換到雙倍模式以提高效率。

DRV8305 使用線性穩(wěn)壓器為低側(cè) N 溝道 MOSFET 生成適當(dāng)?shù)臇旁措妷?。線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于 GND 的固定 10V 電源電壓。為了支持低電壓操作，線性穩(wěn)壓器的輸入電壓取自高端電荷泵。這允許 DRV8305在低壓瞬態(tài)期間提供足夠的 V GS來驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)和邏輯電平 MOSFET。

圖 2 和圖 3 顯示了具有失速電流限制參考設(shè)計(jì) (TIDA-00771) 的 10.8V/250W 效率 97% 的緊湊型無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試結(jié)果，顯示了柵極驅(qū)動(dòng)器輸出波形。圖 2 顯示了輸入直流電源電壓為 10.8V 時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)輸出波形。低側(cè)和高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)輸出電壓約為 10V，以最大效率驅(qū)動(dòng)逆變器。

圖 3 顯示了輸入直流電源電壓為 5V 時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)輸出波形。低端柵極驅(qū)動(dòng)輸出電壓約為 10V，高端柵極驅(qū)動(dòng)輸出電壓約為 8V。DRV8305 的內(nèi)部三重電荷泵可確保提供更高的柵極驅(qū)動(dòng)輸出電壓。從圖 1(a) 可以看出，當(dāng)可用 V GS從 4.5V 增加到 8V時(shí)，R DS_ON降低了 25-30% 。這意味著，借助 DRV8305 的三重電荷泵功能，可以在較低的直流總線電壓 (5V) 下將 MOSFET 傳導(dǎo)損耗降低 25-30%，從而提高效率。

為降低傳導(dǎo)損耗，我們必須同時(shí)選擇具有最低 R DS_ON的 MOSFET和能夠?yàn)樗锌捎幂斎胫绷麟妷禾峁┳畲髺艠O驅(qū)動(dòng)電壓的適當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器。