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如何選擇MOSFET——電機控制

2019-05-05 13:26:46 德州儀器

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本文主要討論特定終端應用需要考慮的具體注意事項，首先從終端應用中將用于驅動電機的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，特別是對于許多驅動直流電機的拓撲結構來說。在此，我們將專注于討論如何選擇正確的FET來驅動有刷、無刷和步進電機。盡管很少有硬性規定，且可能有無數種方法，但希望本文能讓您基于終端應用了解從何處著手。

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，因此與電源應用相比會產生較低的振鈴，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則——具體視你預期的振鈴次數以及你愿意用外部無源元件抑制所述振鈴的數量而定，一般會多10%或少10%。

選擇封裝類型可能是最關鍵的決策，完全取決于設計的功率密度要求（參見圖1）。在2A以下，FET經常（但不總是）被吸收到驅動器集成電路（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、提高電流能力和優化散熱性能。在大型散熱器上安裝通孔封裝可實現更多損耗，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用的熱環境和FET封裝的熱環境。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來驅動電機比選擇用于電源的FET更簡單，因為較低的開關頻率決定了傳導損耗在熱性能中占主導地位。我并不是說可以完全忽略PLOSS估計中的轉換損失。相反，我們已經看到了最壞情況，其中開關損耗可占系統總PLOSS的30%。但這些損耗仍是傳導損耗所帶來的繼發因素，因此不應成為你的首要考慮因素。圍繞超高失速電流設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，同時為散熱器的應用提供外露金屬頂部，因此非常適合在空間受限的應用中應對更高的電流（40A或更多）。