在电机控制应用中如何选择 MOSFET器件

我们研究了如何在最终应用未知时为 FET 建议适当的交叉参考。在本博客和本系列即将发布的文章中，我们将开始研究针对特定最终应用需要考虑哪些具体考虑因素，从最终应用中用于驱动电机的 FET 开始。

电机控制是 30V-100V 分立 MOSFET 的一个巨大（且快速增长的）市场，特别是对于驱动直流电机的许多拓扑结构。在这里，我将专注于选择正确的 FET 来驱动有刷、无刷和步进电机。虽然硬性规则很少，而且可能有无数种不同的方法，但我希望这篇文章能让我们了解根据我们的最终应用从哪里开始。

第一个可能也是最简单的选择是我们需要的击穿电压。由于电机控制的频率往往较低，因此与电源应用相比会导致较低的振铃，因此输入电源轨与 FET 击穿之间的裕量趋向于更加激进（通常以使用缓冲器）以获得较低电阻的 FET。但总的来说，在 BV DSS和最大输入电压 V IN之间设置 40% 的缓冲并不是一个坏规则——根据我们预期的振铃量以及我们愿意用外部抑制振铃的程度来给予或取用 10%无源元件。

选择封装类型可能是最关键的决定，完全取决于设计的功率密度要求（见图 1）。在 2A 以下，FET 最常（但不总是）被吸收到驱动器集成电路 (IC) 中。对于低于 10A 的步进电机和低电流有刷和无刷应用，小型 PQFN 型器件（SON 2mm x 2mm、SON 3.3mm x 3.3mm）可提供最佳功率密度。如果我们优先考虑低成本而不是更高的功率密度，较旧的 SOIC 型封装可能会完成工作，但不可避免地会占用更多的印刷电路板 (PCB) 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据的 10A-30A 空间是 5mm×6mm QFN 的最佳选择。除此之外，更高电流的电源和园艺工具倾向于并联多个 FET，或者它们实现更大的封装设备，如 D2PAK 或通孔封装，如 TO-220。这些封装可以容纳更多的硅，从而实现更低的电阻、更高的电流能力和更好的热性能。在大型散热器上安装通孔封装会导致更多损耗，并允许消耗更多功率。

设备可以消耗多少功率的问题取决于最终应用的热环境，就像它取决于 FET 的封装一样。虽然表面贴装器件通常通过 PCB 耗散大部分热量，但我们可以将其他封装，如上述 TO-220 或 TI 的 DualCool™ 功率块器件（下图 2）连接到散热器，以便将热量从电路板中带走，并增加 FET 可以消耗的最大功率。

最后要看的是你应该瞄准什么阻力。在某些方面，选择 FET 来驱动电机比选择 FET 作为电源更简单，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。我并不是说我们可以完全忽略 P LOSS估计中的开关损耗。相反，我看到过最坏的情况，开关损耗可能占总 P LOSS的 30%在一个系统中。但这些损耗仍然仅次于传导损耗，因此不应该是我们的首要考虑因素。围绕超高失速电流设计的电动工具通常倾向于将 FET 推至最大耐热性，因此我们选择的封装中电阻最低的器件是一个很好的起点。

在结束之前，我想回顾一下前面提到的电源块设备。40V CSD88584Q5DC 和 60V CSD88599Q5DC 是两个垂直集成的半桥解决方案，采用单个 5mm×6mm QFN DualCool 封装（参见图 2）。将传统分立式 5mm x 6mm 器件的每占位面积的低电阻翻倍，同时提供用于散热器应用的裸露金属顶部，这些器件特别适合处理空间中的更高电流（40A 及更高）-受限的应用程序。

图 2：堆叠芯片功率块机械故障

在为我们的设计采用更笨重的 TO 封装之前，可能值得在其中一个电源块上运行这些数字，看看我们是否可以在 PCB 占位面积和散热器尺寸上节省一些空间。