如何为电机驱动选择合适的MOSFET
汽车 oem 正在迁移到 bldc，以最大限度地提高效率和可靠性。本文着眼于工程师在设计过程中应考虑的重要参数，以实现这些目标。
电磁感应 （emi） 的发现改变了世界，预示着新时代的到来。今天，它涉及到每个部门、市场和行业。在许多方面，能够随意发电并将能量转化为精确控制和规律性的运动，是发达社会的标志。
到目前为止，发电机和电动机是最常见和广泛部署的 emi 实施方案。除太阳能外，大部分可用电力都是通过这种方式产生的，要么是发电站的大型涡轮机，要么是风能或波浪等可再生能源解决方案中的小型发电机。
作为对这种丰富能量的回应，发电机的对应物，电动机，已经成功且不可分割地取代了纯机械形式的动力。随着电动汽车开始在我们的道路上普及，内燃机也许是这一旅程中的最新一步。
然而，汽车工业向电力转型还有一个中间步骤，那就是用电动机代替机械设备。
增加应用
从消费者的角度来看，汽车中最明显的电动机用途可能是驱动电动车窗和座椅。中央锁是另一个可以引用的应用。在引擎盖下，发生了更多的变化。电动机逐渐被指定为纯机械选项，用于风扇、泵（水、油、燃料）、动力转向和防抱死制动以及自动变速器等功能。
原因很清楚；与机械替代品相比，电动机可提供更好的控制、更高的效率和更高的可靠性。过渡刚开始时，oem 转向步进电机和有刷换向电机，但最近汽车行业——与许多其他行业一样——已转向无刷直流电机 （bldc），这是有充分理由的。
bldc 提供更高水平的效率，更好地控制更宽的动态范围以及更大的扭矩。由于该技术是无刷的——从电气角度来看，实际上是非接触式的——它消除了有刷直流电机常见的所有电气干扰。这有助于降低电磁干扰，这可能会给发动机控制单元 （ecu） 中更敏感的组件带来问题。它还避免了有刷换向常见的电弧和随后的磨损，这可能导致有刷直流电机的性能下降和最终故障。
当然，用电气替代品代替机械电机确实需要额外的控制电子设备。在 bldc 的情况下，可以说，缺乏电接触会加剧这种情况。有时通过使用霍尔效应开关来控制 bldc，该开关为控制回路提供必要的反馈。然而，最近，无传感器 bldc 变得流行，因为移除传感器进一步降低了物料清单。
为驱动 bldc（带传感器和不带传感器）而开发的控制算法由微控制器 （mcu） 处理，这提供了额外的好处，即使用 can 或 lin 提供相对简单的车辆网络集成。为汽车应用中的电机驱动而设计的 mcu 还配备了预驱动级，以控制通过电机线圈提供高驱动电流所需的 mosfet。最后阶段对于定义整体电机驱动解决方案的效率至关重要，如下所述。
改进的驱动器
bldc 的驱动器电路通常包括 mosfet，以产生和破坏由定子线圈产生的电磁场，围绕由永磁体形成的转子旋转。检测定子的位置对于在线圈中产生正确的励磁场至关重要。在使用传感器的 bldc 中，检测到的是磁场，而在无传感器版本中，控制电路测量反电动势以确定定子位置。
无论哪种方式，线圈都通过以桥式拓扑排列的 mosfet 供电。mosfet 的选择是影响 bldc 整体效率和性能的主要因素。数据表中提供的数据是在特定条件下使用的，可能与实际应用的操作条件一致，也可能不一致。因此，在选择最合适的 mosfet 之前必须了解应用。
同样，所选 mosfet 的工作参数将对整个解决方案产生直接而重大的影响。仔细考虑这些参数将确保选择的 mosfet 最符合要求。
一般来说，应该考虑三个主要方面：可靠性、效率和设计。可靠性与设备的极限有关，并确保在正常操作期间永远不会测试这些极限。具体而言，这涉及选择具有击穿电压的器件，该器件可提供足够的保护，防止可能通过其他设计选择引入的瞬变。例如，对于使用 12v 电源运行的 bldc，40v 的击穿电压就足够了。同样，在 24v 系统中，击穿电压为 60v 的 mosfet 将提供足够的保护。考虑漏源电流额定值也很重要，特别是在浪涌或脉冲条件下。在 bldc 应用中，启动或失速电流可能超过满载电流的三倍，
就 mosfet 而言，效率通常表示器件管理散热的能力，尤其是在结处。良好的热设计总是必要的，尤其是在汽车等环境温度较高的环境中，但在选择 mosfet 时应考虑几个参数。这些包括导通电阻、rds（on） 和栅极电荷 （qg）。这两个参数是相互关联的；较大的 mosfet 可以产生较低的导通电阻，但也会导致较高的栅极电荷。这会对 bldc 驱动器等开关应用产生重大影响。
温度系数
驱动具有三相（线圈）的 bldc 通常是通过 mcu 生成的 pwm（脉宽调制）信号来实现的，用于为每个相供电。图 1 显示了 bldc 相位的典型桥接电路。如果两个 mosfet 同时开启，则会导致击穿，从而产生灾难性影响。为了解决这个问题，将在 pwm 信号中设计一个周期，称为死区时间，以确保在任何给定时间只有预期的 mosfet 导通。mosfet 的开关时间将影响所需的死区时间长度，该参数也受器件栅极电荷的影响。在死区时间期间，mosfet 的体二极管提供了一个换流路径，这又不是理想的，因为二极管导通时的功率损耗较高。
每个 mosfet 都会表现出动态电容（图 1 中的 crss）；这是一个可能导致击穿的参数。该参数与 rg 相结合，在开关期间，可能会导致低端 mosfet 的栅极电荷上升到足以将其导通的水平。
图 1. 用于驱动 bldc 电机相位的典型桥式电路
对于 bldc 驱动等开关应用应考虑的另一个重要参数是零温度系数 （ztc） 点。如图 2 所示，这是传输曲线上的一个点（漏极电流，［id］，与栅源电压，［vgs］）。在该点以下运行器件会导致漏极电流为正温度系数，而在该点以上运行器件会导致漏极电流为负温度系数。图 2a 显示了低密度平面 mosfet （ zxm61n03f ） 的传输特性，图 2b 显示了高密度平面 mosfet （ zxmn3a01e6 ） 的传输特性）。通常，建议在负温度系数区域运行设备。图 2b 中的器件利用更大的沟槽密度来增加通道中垂直电流流动路径的数量。这具有降低 rds（on） 的积极作用，尽管也会导致更高的 ztc 点。
图 2a（左）。低密度平面 mosfet zxm61n03f
图 2b（右）。高密度沟槽mosfet zxmn3a01e6
对于给定尺寸，n 沟道 mosfet 通常具有等效 p 沟道器件的一半 rds（on），因此在电机驱动应用中通常指定 n 沟道 mosfet。图 3 显示了使用 n 沟道 mosfet 的全桥电机驱动电路的五个阶段。同样重要的是要注意，由于 mosfet 的体二极管，此类电路会受到反向恢复电流的影响。能够最小化死区时间的 pwm 算法可以减少这些影响，同时还建议指定具有快速恢复并联二极管的 mosfet。
图 3. 显示换向序列和体二极管恢复相关击穿的电路
结论
汽车 oem 越来越多地指定无刷直流电机。它们提供更高的效率、更高的可靠性和更多功能的控制，包括更换机械泵和风扇。
驱动 bldc 需要将用于控制的高级 mcu 与适当指定的 mosfet 相结合以提供电力。热管理是良好设计的核心，这延伸到了解如何使用正确的 mosfet 设计最好地满足 bldc 驱动电路的独特要求。
通过了解和评估相关参数，工程师可以为任务选择正确的 mosfet，即使在最恶劣的环境中也能确保最高的可靠性和效率。
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当然，用电气替代品代替机械电机确实需要额外的控制电子设备。在 bldc 的情况下，可以说，缺乏电接触会加剧这种情况。有时通过使用霍尔效应开关来控制 bldc，该开关为控制回路提供必要的反馈。然而，最近，无传感器 bldc 变得流行，因为移除传感器进一步降低了物料清单。
为驱动 bldc（带传感器和不带传感器）而开发的控制算法由微控制器 （mcu） 处理，这提供了额外的好处，即使用 can 或 lin 提供相对简单的车辆网络集成。为汽车应用中的电机驱动而设计的 mcu 还配备了预驱动级，以控制通过电机线圈提供高驱动电流所需的 mosfet。最后阶段对于定义整体电机驱动解决方案的效率至关重要，如下所述。
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bldc 的驱动器电路通常包括 mosfet，以产生和破坏由定子线圈产生的电磁场，围绕由永磁体形成的转子旋转。检测定子的位置对于在线圈中产生正确的励磁场至关重要。在使用传感器的 bldc 中，检测到的是磁场，而在无传感器版本中，控制电路测量反电动势以确定定子位置。
无论哪种方式，线圈都通过以桥式拓扑排列的 mosfet 供电。mosfet 的选择是影响 bldc 整体效率和性能的主要因素。数据表中提供的数据是在特定条件下使用的，可能与实际应用的操作条件一致，也可能不一致。因此，在选择最合适的 mosfet 之前必须了解应用。
同样，所选 mosfet 的工作参数将对整个解决方案产生直接而重大的影响。仔细考虑这些参数将确保选择的 mosfet 最符合要求。
一般来说，应该考虑三个主要方面：可靠性、效率和设计。可靠性与设备的极限有关，并确保在正常操作期间永远不会测试这些极限。具体而言，这涉及选择具有击穿电压的器件，该器件可提供足够的保护，防止可能通过其他设计选择引入的瞬变。例如，对于使用 12v 电源运行的 bldc，40v 的击穿电压就足够了。同样，在 24v 系统中，击穿电压为 60v 的 mosfet 将提供足够的保护。考虑漏源电流额定值也很重要，特别是在浪涌或脉冲条件下。在 bldc 应用中，启动或失速电流可能超过满载电流的三倍，
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图 2a（左）。低密度平面 mosfet zxm61n03f
图 2b（右）。高密度沟槽mosfet zxmn3a01e6
对于给定尺寸，n 沟道 mosfet 通常具有等效 p 沟道器件的一半 rds（on），因此在电机驱动应用中通常指定 n 沟道 mosfet。图 3 显示了使用 n 沟道 mosfet 的全桥电机驱动电路的五个阶段。同样重要的是要注意，由于 mosfet 的体二极管，此类电路会受到反向恢复电流的影响。能够最小化死区时间的 pwm 算法可以减少这些影响，同时还建议指定具有快速恢复并联二极管的 mosfet。
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