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如何选择MOSFET——电机控制


作者:德州仪器 Brett Barr    时间:2019/5/4 10:24:31  来源:   

本文主要讨论特定终端应用需要考虑的具体注意事项,首先从终端应用中将用于驱动电机的FET着手。电机控制是30V-100V分立式MOSFET的一个庞大且快速增长的市场,特别是对于许多驱动直流电机的拓扑结构来说。在此,我们将专注于讨论如何选择正确的FET来驱动有刷、无刷和步进电机。尽管很少有硬性规定,且可能有无数种方法,但希望本文能让您基于终端应用了解从何处着手。


要做的首个也许是最简单的选择是你需要何种类型的击穿电压。由于电机控制往往频率较低,因此与电源应用相比会产生较低的振铃,因此输入电源轨与FET击穿之间的裕度会更积极(通常以牺牲使用缓冲器为代价),以获得电阻更低的FET。但一般来讲,BVDSS与最大输入电压VIN之间保留40%的缓冲并非一个糟糕的规则——具体视你预期的振铃次数以及你愿意用外部无源元件抑制所述振铃的数量而定,一般会多10%或少10%。


选择封装类型可能是最关键的决策,完全取决于设计的功率密度要求(参见图1)。在2A以下,FET经常(但不总是)被吸收到驱动器集成电路(IC)中。在10A以下的步进电机和低电流有刷和无刷应用中,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。若您优先考虑低成本而非更高的功率密度,那么采用老旧的SOIC型封装即可胜任,但不可避免地会占用印刷电路板(PCB)更多的空间。

图1:用于驱动不同电机电流的各种封装选项(封装未按比例显示)


小型电池供电工具和家用电器占用的10A-30A空间是5mm×6mm QFN的最佳选择。除此之外,电流更高的电动和园艺工具倾向于并联多个FET,或采用如D2PAK的大型封装器件或如TO-220的通孔封装。这些封装可容纳更多硅,从而降低电阻、提高电流能力和优化散热性能。在大型散热器上安装通孔封装可实现更多损耗,并可消耗更多功率。


器件可耗散多少功率同样取决于终端应用的热环境和FET封装的热环境。尽管表面贴装器件通常会通过PCB散热,但你可以将其他封装(如上述TO-220或TI的DualCool™功率模块器件(下图2)连接到散热器,以便从电路板上吸热,并增加FET可消耗的最大功率。


最后需考虑的因素是你面对的电阻。在某些方面,选用FET来驱动电机比选择用于电源的FET更简单,因为较低的开关频率决定了传导损耗在热性能中占主导地位。我并不是说可以完全忽略PLOSS估计中的转换损失。相反,我们已经看到了最坏情况,其中开关损耗可占系统总PLOSS的30%。但这些损耗仍是传导损耗所带来的继发因素,因此不应成为你的首要考虑因素。围绕超高失速电流设计的电动工具通常会使FET达到最大耐热性,因此你所选封装中的最低电阻器件是一个很好的起点。


在总结之前,我想重温一下前面所述的功率模块器件。40VCSD88584Q5DC和60VCSD88599Q5DC是采用单个5mm×6mm QFN DualCool封装(见图2)的两个垂直集成的半桥解决方案。这些器件会加倍减小传统分立式5mm×6mm器件所提供的单位占位面积的低电阻,同时为散热器的应用提供外露金属顶部,因此非常适合在空间受限的应用中应对更高的电流(40A或更多)。

图2:堆叠芯片功率模块机械故障


在为您的设计采用更大的TO封装之前,不妨在其中一个电源模块上运行数字,看看你是否可以同时节省PCB占用空间和散热器尺寸。

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