如何選擇MOSFET——電機控制

本文主要討論特定終端應(yīng)用需要考慮的具體注意事項，首先從終端應(yīng)用中將用于驅(qū)動電機的FET著手。電機控制是30V-100V分立式MOSFET的一個龐大且快速增長的市場，特別是對于許多驅(qū)動直流電機的拓撲結(jié)構(gòu)來說。在此，我們將專注于討論如何選擇正確的FET來驅(qū)動有刷、無刷和步進電機。盡管很少有硬性規(guī)定，且可能有無數(shù)種方法，但希望本文能讓您基于終端應(yīng)用了解從何處著手。

要做的首個也許是最簡單的選擇是你需要何種類型的擊穿電壓。由于電機控制往往頻率較低，因此與電源應(yīng)用相比會產(chǎn)生較低的振鈴，因此輸入電源軌與FET擊穿之間的裕度會更積極(通常以犧牲使用緩沖器為代價)，以獲得電阻更低的FET。但一般來講，BVDSS與最大輸入電壓VIN之間保留40%的緩沖并非一個糟糕的規(guī)則——具體視你預(yù)期的振鈴次數(shù)以及你愿意用外部無源元件抑制所述振鈴的數(shù)量而定，一般會多10%或少10%。

選擇封裝類型可能是最關(guān)鍵的決策，完全取決于設(shè)計的功率密度要求(參見圖1)。在2A以下，F(xiàn)ET經(jīng)常(但不總是)被吸收到驅(qū)動器集成電路(IC)中。在10A以下的步進電機和低電流有刷和無刷應(yīng)用中，小尺寸PQFN器件(SON 2mm x 2mm，SON 3.3mm x 3.3mm)可以提供最佳功率密度。若您優(yōu)先考慮低成本而非更高的功率密度，那么采用老舊的SOIC型封裝即可勝任，但不可避免地會占用印刷電路板(PCB)更多的空間。

圖1：用于驅(qū)動不同電機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用的10A-30A空間是5mm×6mm QFN的最佳選擇。除此之外，電流更高的電動和園藝工具傾向于并聯(lián)多個FET，或采用如D2PAK的大型封裝器件或如TO-220的通孔封裝。這些封裝可容納更多硅，從而降低電阻、提高電流能力和優(yōu)化散熱性能。在大型散熱器上安裝通孔封裝可實現(xiàn)更多損耗，并可消耗更多功率。

器件可耗散多少功率同樣取決于終端應(yīng)用的熱環(huán)境和FET封裝的熱環(huán)境。盡管表面貼裝器件通常會通過PCB散熱，但你可以將其他封裝(如上述TO-220或TI的DualCool?功率模塊器件(下圖2)連接到散熱器，以便從電路板上吸熱，并增加FET可消耗的最大功率。

最后需考慮的因素是你面對的電阻。在某些方面，選用FET來驅(qū)動電機比選擇用于電源的FET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。我并不是說可以完全忽略PLOSS估計中的轉(zhuǎn)換損失。相反，我們已經(jīng)看到了最壞情況，其中開關(guān)損耗可占系統(tǒng)總PLOSS的30%。但這些損耗仍是傳導(dǎo)損耗所帶來的繼發(fā)因素，因此不應(yīng)成為你的首要考慮因素。圍繞超高失速電流設(shè)計的電動工具通常會使FET達到最大耐熱性，因此你所選封裝中的最低電阻器件是一個很好的起點。

在總結(jié)之前，我想重溫一下前面所述的功率模塊器件。40VCSD88584Q5DC和60VCSD88599Q5DC是采用單個5mm×6mm QFN DualCool封裝(見圖2)的兩個垂直集成的半橋解決方案。這些器件會加倍減小傳統(tǒng)分立式5mm×6mm器件所提供的單位占位面積的低電阻，同時為散熱器的應(yīng)用提供外露金屬頂部，因此非常適合在空間受限的應(yīng)用中應(yīng)對更高的電流(40A或更多)。

圖2：堆疊芯片功率模塊機械故障

在為您的設(shè)計采用更大的TO封裝之前，不妨在其中一個電源模塊上運行數(shù)字，看看你是否可以同時節(jié)省PCB占用空間和散熱器尺寸。