在電機(jī)控制應(yīng)用中如何選擇 MOSFET器件

我們研究了如何在最終應(yīng)用未知時為 FET 建議適當(dāng)?shù)慕徊鎱⒖?。在本博客和本系列即將發(fā)布的文章中，我們將開始研究針對特定最終應(yīng)用需要考慮哪些具體考慮因素，從最終應(yīng)用中用于驅(qū)動電機(jī)的 FET 開始。

電機(jī)控制是 30V-100V 分立 MOSFET 的一個巨大（且快速增長的）市場，特別是對于驅(qū)動直流電機(jī)的許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這里，我將專注于選擇正確的 FET 來驅(qū)動有刷、無刷和步進(jìn)電機(jī)。雖然硬性規(guī)則很少，而且可能有無數(shù)種不同的方法，但我希望這篇文章能讓我們了解根據(jù)我們的最終應(yīng)用從哪里開始。

第一個可能也是最簡單的選擇是我們需要的擊穿電壓。由于電機(jī)控制的頻率往往較低，因此與電源應(yīng)用相比會導(dǎo)致較低的振鈴，因此輸入電源軌與 FET 擊穿之間的裕量趨向于更加激進(jìn)（通常以使用緩沖器）以獲得較低電阻的 FET。但總的來說，在 BV DSS和最大輸入電壓 V IN之間設(shè)置 40% 的緩沖并不是一個壞規(guī)則——根據(jù)我們預(yù)期的振鈴量以及我們愿意用外部抑制振鈴的程度來給予或取用 10%無源元件。

選擇封裝類型可能是最關(guān)鍵的決定，完全取決于設(shè)計的功率密度要求（見圖 1）。在 2A 以下，F(xiàn)ET 最常（但不總是）被吸收到驅(qū)動器集成電路 (IC) 中。對于低于 10A 的步進(jìn)電機(jī)和低電流有刷和無刷應(yīng)用，小型 PQFN 型器件（SON 2mm x 2mm、SON 3.3mm x 3.3mm）可提供最佳功率密度。如果我們優(yōu)先考慮低成本而不是更高的功率密度，較舊的 SOIC 型封裝可能會完成工作，但不可避免地會占用更多的印刷電路板 (PCB) 空間。

圖 1：用于驅(qū)動不同電機(jī)電流的各種封裝選項（封裝未按比例顯示）

小型電池供電工具和家用電器占據(jù)的 10A-30A 空間是 5mm×6mm QFN 的最佳選擇。除此之外，更高電流的電源和園藝工具傾向于并聯(lián)多個 FET，或者它們實現(xiàn)更大的封裝設(shè)備，如 D2PAK 或通孔封裝，如 TO-220。這些封裝可以容納更多的硅，從而實現(xiàn)更低的電阻、更高的電流能力和更好的熱性能。在大型散熱器上安裝通孔封裝會導(dǎo)致更多損耗，并允許消耗更多功率。

設(shè)備可以消耗多少功率的問題取決于最終應(yīng)用的熱環(huán)境，就像它取決于 FET 的封裝一樣。雖然表面貼裝器件通常通過 PCB 耗散大部分熱量，但我們可以將其他封裝，如上述 TO-220 或 TI 的 DualCool? 功率塊器件（下圖 2）連接到散熱器，以便將熱量從電路板中帶走，并增加 FET 可以消耗的最大功率。

最后要看的是你應(yīng)該瞄準(zhǔn)什么阻力。在某些方面，選擇 FET 來驅(qū)動電機(jī)比選擇 FET 作為電源更簡單，因為較低的開關(guān)頻率決定了傳導(dǎo)損耗在熱性能中占主導(dǎo)地位。我并不是說我們可以完全忽略 P LOSS估計中的開關(guān)損耗。相反，我看到過最壞的情況，開關(guān)損耗可能占總 P LOSS的 30%在一個系統(tǒng)中。但這些損耗仍然僅次于傳導(dǎo)損耗，因此不應(yīng)該是我們的首要考慮因素。圍繞超高失速電流設(shè)計的電動工具通常傾向于將 FET 推至最大耐熱性，因此我們選擇的封裝中電阻最低的器件是一個很好的起點。

在結(jié)束之前，我想回顧一下前面提到的電源塊設(shè)備。40V CSD88584Q5DC 和 60V CSD88599Q5DC 是兩個垂直集成的半橋解決方案，采用單個 5mm×6mm QFN DualCool 封裝（參見圖 2）。將傳統(tǒng)分立式 5mm x 6mm 器件的每占位面積的低電阻翻倍，同時提供用于散熱器應(yīng)用的裸露金屬頂部，這些器件特別適合處理空間中的更高電流（40A 及更高）-受限的應(yīng)用程序。

圖 2：堆疊芯片功率塊機(jī)械故障

在為我們的設(shè)計采用更笨重的 TO 封裝之前，可能值得在其中一個電源塊上運(yùn)行這些數(shù)字，看看我們是否可以在 PCB 占位面積和散熱器尺寸上節(jié)省一些空間。