提供工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備穩(wěn)定的電源驅(qū)動(dòng)力
機(jī)器人與工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備已經(jīng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可缺席的要角,如今機(jī)器人也陸續(xù)朝向家用與商用市場(chǎng)發(fā)展,以不同的形態(tài)、功能,出現(xiàn)在消費(fèi)者的面前。這些機(jī)器人都需要穩(wěn)定的電源來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制系統(tǒng),MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)便在其中扮演重要的角色。本文將為您介紹MOSFET的發(fā)展歷程,以及安森美(onsemi)所推出的功率MOSFET的功能特性。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202210/439316.htmMOSFET歷史悠久持續(xù)演進(jìn)
場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)背后的理論自1920~1930年就已為人所知,這比雙極結(jié)型晶體管(BJT)的發(fā)明早了20年,但由于缺乏合適的半導(dǎo)體材料和技術(shù)不成熟,發(fā)展非常緩慢。當(dāng)時(shí),美國(guó)的Julius Edgar Lilienfeld提出了一種晶體管模型,每側(cè)有兩個(gè)金屬觸點(diǎn),半導(dǎo)體頂部有一塊金屬板(鋁)。由金屬板提供的電壓形成的半導(dǎo)體表面的電場(chǎng),能夠控制金屬觸點(diǎn)之間的電流,這是FET的最初概念,William Shockely則于1952年推出了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)。
MOSFET在1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng首次實(shí)作成功,這種組件和Shockely等人發(fā)明的BJT的操作原理有相當(dāng)大的差異,且因?yàn)镸OSFET的制造成本更為低廉,并具有面積較小、高集成度的優(yōu)勢(shì),在大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)與制造上,其重要性遠(yuǎn)超過(guò)BJT。MOSFET已經(jīng)是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基本組成部分,也是歷史上制造最頻繁的器件。
與BJT相比,MOSFET具有更快的開(kāi)關(guān)速度(非常適合數(shù)字信號(hào))、更小的尺寸、顯著降低的功耗,以及更高的密度(適合大規(guī)模集成)。此外,MOSFET也更便宜,并且具有相對(duì)簡(jiǎn)單的加工步驟,從而擁有高制造良率。
近年來(lái)由于MOSFET組件朝向微縮和小型化發(fā)展,MOSFET的效能逐漸提升,推動(dòng)著電子半導(dǎo)體技術(shù)快速的呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),并支持存儲(chǔ)芯片和微處理器等高密度IC等數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用,也有越來(lái)越多模擬信號(hào)處理的集成電路可以用MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn),應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。
功率MOSFET重要性日增市場(chǎng)日益龐大
功率MOSFET則是專門處理大功率的電壓和電流的MOSFET,也是功率半導(dǎo)體的一種。早期電源應(yīng)用是使用BJT作為開(kāi)關(guān)器件,但因?yàn)槠溆幸恍┤秉c(diǎn),導(dǎo)致了功率MOSFET的發(fā)展,經(jīng)過(guò)不斷的研究改進(jìn)使MOSFET具備替代BJT的特性,使得功率MOSFET常用于開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)、電腦外圍設(shè)備、汽車和電機(jī)控制等應(yīng)用。
功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是其切換速度快,在低電壓下具有高效率。功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)都有隔離的柵體,因此在驅(qū)動(dòng)上比較容易。功率MOSFET的缺點(diǎn)是增益較小,有時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)的電壓甚至比實(shí)際要控制的電壓還低。
隨著MOSFET及CMOS技術(shù)持續(xù)的演進(jìn),自1960年起MOSFET已用在集成電路上,這也是功率MOSFET的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)的原因。功率MOSFET自1970年代開(kāi)始便有商品販賣,目前更是百家爭(zhēng)鳴,市面上的產(chǎn)品相當(dāng)多樣。
功率MOSFET是世界上最常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體器件,因?yàn)槠淇蓪?shí)現(xiàn)低柵極驅(qū)動(dòng)功率、快速開(kāi)關(guān)速度和先進(jìn)的并聯(lián)能力,并具有高帶寬、堅(jiān)固耐用、易于驅(qū)動(dòng)、偏壓簡(jiǎn)單、容易使用、容易維修等特性,尤其是應(yīng)用最廣泛的低壓(小于200 V)開(kāi)關(guān),包括大部份的電源供應(yīng)器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、低電壓電機(jī)控制器等,以及許多其他的應(yīng)用,市場(chǎng)空間相當(dāng)龐大。
依據(jù)應(yīng)用需求來(lái)選擇合適的MOSFET
市面上生產(chǎn)MOSFET的廠家眾多,型號(hào)與類型更是多如過(guò)江之鯽,導(dǎo)致工程師常會(huì)出現(xiàn)MOSFET的選擇困難。當(dāng)然,選擇MOSFET得先觀看廠家提供的數(shù)據(jù)表,然后依據(jù)自己的應(yīng)用需求來(lái)選擇合適的產(chǎn)品。
選擇MOSFET首先要確認(rèn)電壓等級(jí),再來(lái)則是導(dǎo)通電阻(RDS(on))、額定電流、功率耗散。不過(guò),由于MOSFET會(huì)受到工作溫度的影響,因此得先了解該器件的測(cè)試條件,數(shù)據(jù)表上的數(shù)值是“最大”或是“典型”值,這都會(huì)影響到器件的實(shí)際表現(xiàn)。
此外,MOSFET的選型還可分成四個(gè)步驟。首先要決定選用N溝道還是P溝道,若是MOSFET使用在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)中,應(yīng)采用N溝道MOSFET,這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時(shí),就要用高壓側(cè)開(kāi)關(guān),通常會(huì)采用P溝道MOSFET。
再來(lái)則是選擇MOSFET額定電流,該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流,即是系統(tǒng)在連續(xù)模式和脈沖尖峰時(shí)所產(chǎn)生的尖峰電流,因此只需選擇能承受這個(gè)最大電流的器件即可。
接下來(lái)則是確定熱需求,設(shè)計(jì)人員必須考慮最壞情況和真實(shí)情況下的系統(tǒng)散熱要求,建議要以最壞情況的計(jì)算結(jié)果作為主要考慮,以提供更大的安全余量,確保系統(tǒng)不會(huì)失效。
最后則是要決定開(kāi)關(guān)性能,影響開(kāi)關(guān)性能的參數(shù)有很多,但最重要的是電容所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗,因?yàn)樵诿看伍_(kāi)關(guān)時(shí)都要對(duì)電容充電,因此會(huì)影響到器件的效率。
提升電機(jī)運(yùn)作效能的功率MOSFET
近年來(lái),隨著機(jī)器人與自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用的快速發(fā)展,在這些設(shè)備中,采用了數(shù)量龐大的電機(jī),用以控制機(jī)器零部件與自身的移動(dòng),因此需要眾多的功率MOSFET來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。安森美針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用,推出了NTBLS1D5N10MC這款單極、N溝道的功率MOSFET。
安森美的NTBLS1D5N10MC是一款單極、N溝道的功率MOSFET,支持TOLL封裝,可輸出100 V、1.53 mΩ、312 A的功率,具備低RDS(ON)、低總柵極電荷(QG)和電容,具有較低的開(kāi)關(guān)噪聲/電磁干擾(EMI),并是無(wú)鉛、無(wú)鹵素/無(wú)溴化阻燃劑(BFR)的器件,并且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn),可最小化傳導(dǎo)損耗,最大限度地減少驅(qū)動(dòng)器損失,可應(yīng)用于機(jī)器人與自動(dòng)化設(shè)備、電動(dòng)工具、電池供電的真空吸塵器、無(wú)人機(jī)、物料搬運(yùn)、電池管理系統(tǒng)(BMS)/存儲(chǔ)、家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域,常見(jiàn)的最終產(chǎn)品包括電機(jī)控制、工業(yè)電源與太陽(yáng)能逆變器等。
結(jié)語(yǔ)
機(jī)器人與自動(dòng)化設(shè)備采用了眾多的電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn),因此采用高效率、穩(wěn)定的功率MOSFET來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī),將是提升設(shè)備運(yùn)作效率的關(guān)鍵。安森美是重要的MOSFET供應(yīng)商之一,提供多樣的MOSFET產(chǎn)品線,并針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用推出相對(duì)應(yīng)的功率MOSFET,將會(huì)是機(jī)器人與自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用的最佳選擇。
評(píng)論