對(duì)更高功率密度的需求推動(dòng)電動(dòng)工具創(chuàng)新解決方案

時(shí)間：2019-05-17 15:27:34

關(guān)鍵字： bldc fet MOSFET

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[導(dǎo)讀]德州儀器（英語(yǔ)：Texas Instruments，簡(jiǎn)稱：TI），是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體跨國(guó)公司，以開發(fā)、制造、銷售半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)聞名于世，主要從事創(chuàng)新型數(shù)字信號(hào)處理與模擬電路方面的研究、制造和銷售。除半導(dǎo)體業(yè)務(wù)外，還提供包括傳感與控制、教育產(chǎn)品和數(shù)字光源處理解決方案。

電動(dòng)工具中直流電機(jī)的配置已從有刷直流大幅轉(zhuǎn)向更可靠、更高效的無刷直流（BLDC）解決方案轉(zhuǎn)變。斬波器配置等典型有刷直流拓?fù)渫ǔ８鶕?jù)雙向開關(guān)的使用與否實(shí)現(xiàn)一個(gè)或兩個(gè)功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。另一方面，三相BLDC配置需要三個(gè)半橋或至少六個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（FET），因此從有刷電流轉(zhuǎn)向無刷電流意味著全球電動(dòng)工具FET總區(qū)域市場(chǎng)增長(zhǎng)了3到6倍（見圖1）。

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圖1：從有刷拓?fù)滢D(zhuǎn)換到無刷拓?fù)湟馕吨?/span>FET數(shù)量出現(xiàn)了6倍倍增

但BLDC設(shè)計(jì)在這些FET上提出了新的技術(shù)要求。例如，若電路板上FET的數(shù)量6倍倍增也意味著驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的印刷電路板（PCB）占用面積增加了6倍，那么BLDC設(shè)計(jì)不大可能仍適用于電動(dòng)工具和園藝工具制造商。電力電子設(shè)備通常位于這些工具的手柄中；因此，為適應(yīng)最小的手部尺寸，應(yīng)用通常受空間限制的影響極大（參見圖2）。市場(chǎng)需要功率密度更高的解決方案，換言之，就是需要在狹窄空間中處理更多電流的FET。

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圖2：在大多數(shù)電動(dòng)工具中，電子設(shè)備都位于手柄中

傳統(tǒng)意義上講，適用于驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)的FET其封裝又大又重，如TO-220、DPAK和D2PAK。但像TI的小型無引線封裝（SON）5mm×6mm FET這類最新方形扁平無引線（QFN）封裝可在硅片和源極管腳之間提供更小的封裝電阻。單位面積的電阻較小意味著單位面積的傳導(dǎo)損耗較少，也意味著電流能力和功率密度更高。因此，隨著FET硅單位面積的電阻（RSP）繼續(xù)降低（大致相當(dāng)于過去每代產(chǎn)品的一半），電動(dòng)工具、園藝工具和家用電器行業(yè)的QFN解決方案出現(xiàn)快速增長(zhǎng)也就不足為奇了。這些較小的FET現(xiàn)在通常能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)30A或更高的直流電機(jī)電流；即使對(duì)于功率更高的設(shè)計(jì)，并行采用多個(gè)QFN有時(shí)更適用于更大的封裝。畢竟，兩個(gè)5mm×6mm的器件在60mm²的總PCB面積中仍只相當(dāng)于占用一個(gè)D2PAK的一小部分尺寸，D2PAK在總PCB空間上約為10mm×15mm，即150mm²（見圖3）。

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圖3：半橋所需的PCB空間（未按比例畫出）

TI最近通過將兩個(gè)FET縱向集成到單一封裝中，將這一趨勢(shì)歸結(jié)為邏輯結(jié)論，在一個(gè)SON 5mm×6mm的功率模塊中提供整個(gè)半橋。40V?CSD88584Q5DC和 60V?CSD88599Q5DC采用與德州儀器低電壓功率模塊相同的堆疊裸片技術(shù)，用于高頻電源應(yīng)用，同時(shí)采用了優(yōu)化的硅片，以減少大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的傳導(dǎo)損耗。除減小在PCB上并排兩個(gè)FET所帶來的寄生電感外，縱向集成兩個(gè)FET可在同一封裝中容納更多的硅，從而實(shí)現(xiàn)比分立QFN器件更高的功率密度。

這些器件還具有帶裸露金屬頂部的耐熱增強(qiáng)型DualCool?封裝。因此，盡管仍存在一些情況，使得電動(dòng)工具制造商可能更傾向于使用TO-220 FET來表面貼裝FET，因?yàn)檫@些FET可安裝在大型散熱器上以將熱量從PCB排出，但是這些功率模塊采用QFN封裝提供了同樣的好處。例如，即使在最理想的熱環(huán)境中，通常也不鼓勵(lì)在典型的5mm×6mm的QFN中耗散3W以上的功率。但是通過適當(dāng)?shù)厥褂蒙崞?，這些DualCool器件可以應(yīng)對(duì)6W或更多的功耗，功率密度翻了一倍，而PCB占用面積減少了一半。