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無刷直流 (BLDC) 電機系統(tǒng)中的外部和集成MOSFET架構(gòu)
發(fā)布時間：2023-09-18 10:13:58 瀏覽：816次
如果您不熟悉電機驅(qū)動器系統(tǒng)，并且想知道外部 MOSFET 架構(gòu)與集成 MOSFET 架構(gòu)的含義，那么您已經(jīng)找到了所需的常見問題解答頁面！即使是經(jīng)驗豐富的電機系統(tǒng)設(shè)計人員，許多人也經(jīng)常不知道要為給定系統(tǒng)選擇哪種 MOSFET 架構(gòu)。在這個常見問題解答中，我將向您介紹功率 MOSFET 的兩種架構(gòu)。雖然此常見問題解答涉及三相 BLDC 系統(tǒng)，但其中的概念可輕松擴展到不同類型的直流電機系統(tǒng)，例如單相 BLDC 電機、有刷直流電機或步進(jìn)電機。
圖 1：典型的無傳感器 BLDC 電機系統(tǒng)
圖 1 顯示了典型的無傳感器 BLDC 電機系統(tǒng)。以藍(lán)色突出顯示的元件通常是柵極驅(qū)動器集成電路 (IC) 的一部分，其中功率 MOSFET 位于電路板上 IC 的外部。當(dāng)柵極驅(qū)動器 IC 也包括以紅色突出顯示的元件時，IC 稱為電機驅(qū)動器或集成式 FET 驅(qū)動器。以綠色突出顯示的元件是電機控制器的一部分。我們將重點討論柵極驅(qū)動器和電機驅(qū)動器架構(gòu)。
柵極驅(qū)動器架構(gòu)：通過選擇不同的 MOSFET 來擴展功率等級，基于外部 MOSFET 的架構(gòu)使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠靈活地為各種應(yīng)用使用相同的驅(qū)動器和控制設(shè)計。通常，具有較高額定電流的 MOSFET 具有較大的封裝尺寸，從而適應(yīng) MOSFET 的較低 R(ON) 并提供更好的熱性能。系統(tǒng)設(shè)計人員可以根據(jù)系統(tǒng)性能要求選擇不同的 MOSFET，并相應(yīng)地優(yōu)化電路板尺寸。由于 MOSFET 可以放置在電路板上的較遠(yuǎn)位置，柵極驅(qū)動器架構(gòu)通常提供更好的熱性能?；跂艠O驅(qū)動器的架構(gòu)的一個缺點是電路板設(shè)計很復(fù)雜，這是由于電路板上放置了 6 個 MOSFET（用于三相 BLDC 系統(tǒng)）。為了實現(xiàn)更低的 EMI 和噪聲等系統(tǒng)性能目標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計人員還需考慮柵極驅(qū)動器 IC 中的 MOSFET 位置。由于電路板上的元件數(shù)量較多，柵極驅(qū)動器系統(tǒng)比相同功率和電壓等級的電機驅(qū)動器解決方案要大得多。 柵極驅(qū)動器板的一個示例是 DRV8304 EVM，這是一個旨在提供 15A 電流的 40V BLDC 系統(tǒng)。EVM 電路板尺寸為 61mm x 56mm（3233 平方毫米）。與柵極驅(qū)動器 IC 相比，6 個 MOSFET 在電路板上占據(jù) 2.5 倍的面積！
圖 2：DRV8304 EVM 電路板
電機驅(qū)動器架構(gòu)：基于集成 MOSFET 的架構(gòu)可簡化系統(tǒng)板設(shè)計，并且與柵極驅(qū)動器系統(tǒng)相比，解決方案尺寸要小得多。電機驅(qū)動器系統(tǒng)還可縮短設(shè)計周期，因為系統(tǒng)設(shè)計人員無需考慮優(yōu)化 MOSFET 柵極驅(qū)動的技術(shù)來降低 EMI、噪聲或熱性能。電機驅(qū)動器 IC 開發(fā)人員在設(shè)計 IC 時，已經(jīng)考慮到這些問題！典型的電機驅(qū)動器 IC 可提供 1A 至 10A 的電機電流。由于 6 個 MOSFET 集成在一個小型封裝中（通常小于 10x10mm），電機驅(qū)動器 IC 的熱性能往往較差。設(shè)計人員需要選擇具有較低 FET R(ON) 的電機驅(qū)動器 IC，以滿足其系統(tǒng)熱性能要求。根據(jù)經(jīng)驗，大約在功率等級高于 70-80W 時，系統(tǒng)設(shè)計人員開始從基于電機驅(qū)動器的架構(gòu)改用基于柵極驅(qū)動器的架構(gòu)，以便實現(xiàn)更好的熱性能和電力輸送性能。TI 全新的 BLDC 電機驅(qū)動器 DRV8316 集成了 6 個 50mΩ MOSFET，適用于三相 BLDC 系統(tǒng)。DRV8316 EVM 板的尺寸為 19.8mm x 16mm（317 平方毫米），它比尺寸大 10 倍的 DRV8304 板具有相同的電機電壓等級！
圖 3：DRV8316 EVM 電路板
總的來說，基于柵極驅(qū)動器架構(gòu)的系統(tǒng)靈活，但體積更大，而且設(shè)計復(fù)雜。基于電機驅(qū)動器架構(gòu)的系統(tǒng)簡單、小巧，可縮短設(shè)計周期，但可能無法滿足系統(tǒng)的所有熱性能要求。在低功耗應(yīng)用中，最好使用電機驅(qū)動器架構(gòu)，尤其是全新的 DRV8316，它能夠在僅 35 平方毫米的封裝尺寸下提供高達(dá)70W的功率。
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