如何最大限度地减少电池供电电机驱动器中的 MOSFET 传导损耗

许多应用使用低压电池（2-10 节锂离子）供电的电机驱动器，如电动工具、园林工具和真空吸尘器。这些工具使用有刷或无刷直流电机(BLDC)。BLDC 电机效率更高，维护更少，噪音更低，使用寿命更长。

驱动这些工具所需的功率级最重要的性能要求是小尺寸、高效率、更好的热性能、可靠的保护和峰值电流能力。功率级的小尺寸可实现灵活的安装、更好的电路板布局性能和低成本设计。高效率可提供最长的电池寿命并减少冷却工作。

为了获得更高的效率，重要的是分析功率级中的损耗并找到降低总损耗的方法。逆变器中损耗的主要贡献者来自 MOSFET。

在电动工具、园林工具和真空吸尘器等电池供电的电机驱动应用中，MOSFET传导损耗约占逆变器总损耗的 60-80%。MOSFET 中的传导损耗取决于 FET 的通态电阻 (R DS_ON ) 和通过 FET 的 RMS（均方根）电流，使用公式 1 计算得出：

为减少传导损耗，请选择具有最小 R DS_ON的 MOSFET 。TI 的 CSD17576Q5B (R DS_ON = 2mΩ)、CSD17573Q5B (R DS_ON = 1mΩ) 和 CSD17570Q5B (R DS_ON = 0.69mΩ) 是具有极低 R DS_ON的 30V、5mm×6mm SMD MOSFET ，可帮助我们设计高效率功率级。 

然而，选择具有最小 R DS_ON的 MOSFET 并不能完全降低传导损耗。栅极驱动器还在确定 MOSFET 传导损耗方面发挥作用。让我们看看如何。

FET的R DS_ON不是一个常数，主要取决于两个因素：

· MOSFET的可用栅源电压 (V GS )。

· MOSFET 外壳温度。

图 1 显示了典型 MOSFET（CSD17576Q5B）的 R DS_ON随 V GS和温度的变化。

以最小 R DS_ON操作 MOSFET ：

· MOSFET 外壳温度应尽可能低。我们可以通过更好的冷却努力来实现这一点：增加 PCB 面积、连接散热器或提供强制气流。然而，所有这些努力都需要额外的成本。

· 使用高效智能栅极驱动器以最大 V GS（在 FET 的最大 V GS额定值内）驱动 FET。

如果我们查看 R DS_ON与 V GS曲线，最小 R DS_ON出现在 20V 的 V GS处。对于大多数功率 FET，绝对最大 V GS额定值为 20V，并且应在 V GS中提供良好的设计余量，以实现 MOSFET 和系统的可靠运行。进一步从图 1(a) 可以看出，从 10V 到 20V，R DS_ON的变化相当小。因此，如果我们考虑 V GS上的安全裕度，则从 10V 到 15V 的任何栅极驱动电压都应该足以以最小 R DS_ON驱动 FET. 大多数 MOSFET 栅极驱动器具有 10V-15V 的栅极驱动电压输出，并提供不同的拓扑配置，如低侧或高侧、半桥、全桥或三相。

非隔离式栅极驱动器使用集成或外部线性或开关稳压器从电池电源电压中获取栅极驱动电压。在某些栅极驱动器中，随着电池直流电压的下降，栅极驱动电压也会下降，具体取决于可用的直流总线电压。

如果我们的应用要求功率级的工作电压降低到较低的电压（例如在两节锂离子电池的情况下为 5V），则普通栅极驱动器只能在栅极到源极提供 5V 或更低电压；MOSFET 将以高 R DS_ON导通。这会在低直流总线电压下大幅降低功率级效率。因此，即使在较低的直流总线电压下，我们也可能更喜欢具有较高栅极驱动电压的栅极驱动器。

让我们看看德州仪器 (TI) 的 DRV8305 三相栅极驱动器如何为我们提供帮助。

DRV8305 是一款三相栅极驱动器，工作电压范围为 4.5V 至 45V，内部电荷泵支持 100% 占空比。该器件可以支持低电压应用，例如由 2 节锂离子电池供电的电动工具。DRV8305 使用三重电荷泵为高侧 N 沟道 MOSFET 生成适当的栅源电压偏置。与流行的自举架构类似，电荷泵产生浮动电源电压以启用 MOSFET。为支持低电压运行，DRV8305 a 使用稳压三电荷泵方案来产生足够的 V GS以在低电压瞬变或低直流总线电压期间驱动逆变器中的标准和逻辑电平高侧 MOSFET。

当可用直流输入电压为 4.4V 至 18V 时，DRV8305 的电荷泵以三重模式调节电压。超过 18V 到最大工作电压时，它会切换到双倍模式以提高效率。

DRV8305 使用线性稳压器为低侧 N 沟道 MOSFET 生成适当的栅源电压。线性稳压器产生一个相对于 GND 的固定 10V 电源电压。为了支持低电压操作，线性稳压器的输入电压取自高端电荷泵。这允许 DRV8305在低压瞬态期间提供足够的 V GS来驱动标准和逻辑电平 MOSFET。

图 2 和图 3 显示了具有失速电流限制参考设计 (TIDA-00771) 的 10.8V/250W 效率 97% 的紧凑型无刷直流电机驱动器的测试结果，显示了栅极驱动器输出波形。图 2 显示了输入直流电源电压为 10.8V 时的栅极驱动输出波形。低侧和高侧栅极驱动输出电压约为 10V，以最大效率驱动逆变器。

图 3 显示了输入直流电源电压为 5V 时的栅极驱动输出波形。低端栅极驱动输出电压约为 10V，高端栅极驱动输出电压约为 8V。DRV8305 的内部三重电荷泵可确保提供更高的栅极驱动输出电压。从图 1(a) 可以看出，当可用 V GS从 4.5V 增加到 8V时，R DS_ON降低了 25-30% 。这意味着，借助 DRV8305 的三重电荷泵功能，可以在较低的直流总线电压 (5V) 下将 MOSFET 传导损耗降低 25-30%，从而提高效率。

为降低传导损耗，我们必须同时选择具有最低 R DS_ON的 MOSFET和能够为所有可用输入直流电压提供最大栅极驱动电压的适当栅极驱动器。