电机控制中的MOSFET和IGBT基础知识（下）

作者 Bill Schweber, Mouser Electronics

关键参数

如同大多数电子元件一样，有几个主要的参数和性能规格往往决定设备和应用之间的初始匹配情况。随后是大量的二级参数，然后通过第三级参数，所有这些参数的组合，达成一个合适的选择结果。当然，没有所谓的“最佳”选择，因为任何最终选择都牵涉到对许多组件选择间（当然包括成本）不可避免的权衡。对于两种器件，主要参数是电流处理能力和峰值电压额定值，因为这两个参数决定了某个特定部分是否可以支撑电机的负荷需求。

对于MOSFET，接下来的关键参数是导通电阻（RDS（ON））和栅极电容。较低的导通电阻意味着降低电阻损耗和导通时的电压降，并因此降低了散热负荷并提高了效率。MOSFET设计的进步降低了导通电阻的大小，已经可以低至几十毫欧，虽然已经算小，但在处理数十或数百安电流时仍然是一个潜在麻烦。

栅极电容决定门完全打开和关闭所需的电流和转换速率，这些决定了管子是否具备所需的转换时间（与开关速度相关）。待注入或拉出的电流量的基本计算公式是 I = C dV/dt，没办法绕开这两个重要参数。

对于IGBT，接下来的关键指标是导通状态下约2 V的压降Vdrop，该值是内部PN结的二极管压降及MOSFET内在驱动的压降之和;它不会低于单个二极管的阈值。

如果这些参数是静态的，选择会更容易些。但实际情况是，MOSFET的RDS（on）和IGBT Vdrop都受到温度和电流大小的影响，并且这些功率器件确实存在显著自热。对于MOSFET，该电压降主要来自电阻并且和电流成正比，而RDS（on）则随温度增加。对于IGBT，电压降表现出二极管性质，随着电流对数而增加，并且相对温度来说是恒定的（图5）。

图5：两种器件在相同电流密度时导通状态下的电压降与在温度的关系。IPP60R099C6是一个超结功率MOSFET管，而IRGP4063D是沟道型IGBT（图片来自于国际整流器AN-983）。

在比较MOSFET和IGBT时，一般情况下前者提供了更快的开关速度（MHz）、更高的峰值电流和更宽的SOA（安全工作区）。但它们的传导强烈依赖于温度和额定电压;随着额定电压的上升，其积分二极管反向恢复性能恶化，增加了开关损耗。 IGBT可提供更高的额定电流，而且坚固耐用，但是开关速度较慢;它们缺乏内部的反向恢复二极管意味着必须找到协同封装了二极管的一个IGBT来匹配您的应用。

对于电机驱动应用，主要原则是在较低的电压和电流以及较高的开关频率时选择MOSFET; IGBT则在较高电压/电流和较低频率时是更好的选择。注意：所有指南也存在很多例外，这取决于应用的具体情况。由于大多数电机只需要较低频率的操作（是极数和最大转速的函数），IGBT对这类应用是一个可行的选择。

散热和封装方面的考虑

如果在电机驱动器中选择MOSFET和IGBT的讨论中不涉及散热和封装，那么这种讨论是不完整的。由于电机涉及功率控制，开关元件必须将热耗消散出去，而这种不可避免的热量源自内部损耗。业界已经出台这些器件封装尺寸和类型的标准（针对小/中等功率水平的选择有D2PAK，D-Pak，TO-220，TO-227，和TO-262），因为标准中给出的选择较少从而也简化了散热器和冷却的候选项。

在一定功率水平下对封装及其散热性能的热建模是至关重要的。供应商提供详细的热模型，其基本模型相当直观。供应商还提供应用笔记，帮助设计师走通基础实例。初级模型通常只是一个电子表格，而更先进的热分析应用项目可能需要调查散热和相关选项。MOSFET和IGBT都可以并联以容纳更高的电流或物理上分散的热源——这一特性通常在电机驱动时很必要——但是每一个附加无源元件需要不同的配置，以平衡和匹配电流。

除组件散热情况之外还有很多地方也需要建模。即使你能散掉MOSFET或IGBT的足够热量，以保证满足其额定SOA要求，但热量必须转移到某个地方。在某些情况下，有一个简单的达到“外部”的耗散路径，但在许多情况下，器件排出的热量将成为PC板或封装盒其余部分的麻烦。因此，热分析必须关注散热对全系统的影响，尤其是因为许多电机应用都是封闭的或其环境具有相当大的挑战性，比如环境温度非常高而冷却空气流很低。

做出选择

在大多数情况下没有个别模型的单一“最佳”选择，甚至MOSFET或IGBT之间也没有“最佳”选择。实际情况是，综合许多性能参数和它们的相对优先级，以及可用性和成本从而作出决定。

幸运的是，MOSFET和IGBT的供应商很多，虽然这可能是个大麻烦，因为会出现选择风暴。如有疑问，起初可以选择这样的供应商：提供一般设计问题的齐全应用笔记，辅以特定应用的详细设计（和它们的分析），这些应用就可以拿来作为一个起始设计。一些厂商同时提供MOSFET和IGBT，这样他们就可以提供两种开关类型使用选择的权衡评估。当然，经过验证的参考设计库（布局，BOM）也很关键。

如果选择看似矛盾或者难度太大，一个好的策略是与分销商紧密合作，像贸泽电子这样的分销商储备了一大堆两种器件的备选件，这些备选件来自于Vishay、仙童、安森美半导体、意法半导体、英飞凌等知名大厂。只需要一个网站，工程师就可以下载数据手册，应用笔记，成熟的参考设计，甚至是比较不同的产品以获取针对他们具体应用的相关属性间的权衡评估。

作者简介：

Bill Schweber

Bill Schweber是一名电子工程师撰写过三本有关电子通信系统的书籍，并撰写过数百篇技术论文和专栏文章，在他EETIME担任过网站管理，在EDN担任过执行主编。他拥有学士和硕士学位，是一名注册工程师。

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