如何選擇MOSFET——電機(jī)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(xiàng)，首先從終端應(yīng)用中將用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的FET著手。電機(jī)控制是30V-100V分立式MOSFET的一個(gè)龐大且快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)，特別是對(duì)于許多驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)。在此，我們將專注于討論如何選擇正確的FET來(lái)驅(qū)動(dòng)有刷、無(wú)刷和步進(jìn)電機(jī)。盡管很少有硬性規(guī)定，且可能有無(wú)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(gè)也許是最簡(jiǎn)單的選擇是你需要何種類型的擊穿電壓。由于電機(jī)控制往往頻率較低，因此與電源應(yīng)用相比會(huì)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(huì)更積極(通常以犧牲使用緩沖器為代價(jià))，以獲得電阻更低的FET。但一般來(lái)講，BVDSS與最大輸入電壓VIN之間保留40%的緩沖并非一個(gè)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(wú)源元件抑制所述振鈴的數(shù)量而定，一般會(huì)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(jì)的功率密度要求(參見(jiàn)圖1)。在2A以下，F(xiàn)ET經(jīng)常(但不總是)被吸收到驅(qū)動(dòng)器集成電路(IC)中。在10A以下的步進(jìn)電機(jī)和低電流有刷和無(wú)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(huì)占用印刷電路板(PCB)更多的空間。

圖1：用于驅(qū)動(dòng)不同電機(jī)電流的各種封裝選項(xiàng)(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(dòng)和園藝工具傾向于并聯(lián)多個(gè)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(shí)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(huì)通過(guò)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(duì)的電阻。在某些方面，選用FET來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)比選擇用于電源的FET更簡(jiǎn)單，因?yàn)檩^低的開(kāi)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(shuō)可以完全忽略PLOSS估計(jì)中的轉(zhuǎn)換損失。相反，我們已經(jīng)看到了最壞情況，其中開(kāi)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(lái)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(jì)的電動(dòng)工具通常會(huì)使FET達(dá)到最大耐熱性，因此你所選封裝中的最低電阻器件是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

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(gè)5mm×6mm QFN DualCool封裝(見(jiàn)圖2)的兩個(gè)垂直集成的半橋解決方案。這些器件會(huì)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(shí)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(duì)更高的電流(40A或更多)。

圖2：堆疊芯片功率模塊機(jī)械故障

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