无刷直流 (BLDC) 电机系统中的外部和集成MOSFET架构
发布日期:2023-09-18
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如果您不熟悉电机驱动器系统，并且想知道外部 MOSFET 架构与集成 MOSFET 架构的含义，那么您已经找到了所需的常见问题解答页面！即使是经验丰富的电机系统设计人员，许多人也经常不知道要为给定系统选择哪种 MOSFET 架构。在这个常见问题解答中，我将向您介绍功率 MOSFET 的两种架构。虽然此常见问题解答涉及三相 BLDC 系统，但其中的概念可轻松扩展到不同类型的直流电机系统，例如单相 BLDC 电机、有刷直流电机或步进电机。
图 1：典型的无传感器 BLDC 电机系统
图 1 显示了典型的无传感器 BLDC 电机系统。以蓝色突出显示的元件通常是栅极驱动器集成电路 (IC) 的一部分，其中功率 MOSFET 位于电路板上 IC 的外部。当栅极驱动器 IC 也包括以红色突出显示的元件时，IC 称为电机驱动器或集成式 FET 驱动器。以绿色突出显示的元件是电机控制器的一部分。我们将重点讨论栅极驱动器和电机驱动器架构。
栅极驱动器架构：通过选择不同的 MOSFET 来扩展功率等级，基于外部 MOSFET 的架构使系统设计人员能够灵活地为各种应用使用相同的驱动器和控制设计。通常，具有较高额定电流的 MOSFET 具有较大的封装尺寸，从而适应 MOSFET 的较低 R(ON) 并提供更好的热性能。系统设计人员可以根据系统性能要求选择不同的 MOSFET，并相应地优化电路板尺寸。由于 MOSFET 可以放置在电路板上的较远位置，栅极驱动器架构通常提供更好的热性能。基于栅极驱动器的架构的一个缺点是电路板设计很复杂，这是由于电路板上放置了 6 个 MOSFET（用于三相 BLDC 系统）。为了实现更低的 EMI 和噪声等系统性能目标，系统设计人员还需考虑栅极驱动器 IC 中的 MOSFET 位置。由于电路板上的元件数量较多，栅极驱动器系统比相同功率和电压等级的电机驱动器解决方案要大得多。 栅极驱动器板的一个示例是 DRV8304 EVM，这是一个旨在提供 15A 电流的 40V BLDC 系统。EVM 电路板尺寸为 61mm x 56mm（3233 平方毫米）。与栅极驱动器 IC 相比，6 个 MOSFET 在电路板上占据 2.5 倍的面积！
图 2：DRV8304 EVM 电路板
电机驱动器架构：基于集成 MOSFET 的架构可简化系统板设计，并且与栅极驱动器系统相比，解决方案尺寸要小得多。电机驱动器系统还可缩短设计周期，因为系统设计人员无需考虑优化 MOSFET 栅极驱动的技术来降低 EMI、噪声或热性能。电机驱动器 IC 开发人员在设计 IC 时，已经考虑到这些问题！典型的电机驱动器 IC 可提供 1A 至 10A 的电机电流。由于 6 个 MOSFET 集成在一个小型封装中（通常小于 10x10mm），电机驱动器 IC 的热性能往往较差。设计人员需要选择具有较低 FET R(ON) 的电机驱动器 IC，以满足其系统热性能要求。根据经验，大约在功率等级高于 70-80W 时，系统设计人员开始从基于电机驱动器的架构改用基于栅极驱动器的架构，以便实现更好的热性能和电力输送性能。TI 全新的 BLDC 电机驱动器 DRV8316 集成了 6 个 50mΩ MOSFET，适用于三相 BLDC 系统。DRV8316 EVM 板的尺寸为 19.8mm x 16mm（317 平方毫米），它比尺寸大 10 倍的 DRV8304 板具有相同的电机电压等级！
图 3：DRV8316 EVM 电路板
总的来说，基于栅极驱动器架构的系统灵活，但体积更大，而且设计复杂。基于电机驱动器架构的系统简单、小巧，可缩短设计周期，但可能无法满足系统的所有热性能要求。在低功耗应用中，最好使用电机驱动器架构，尤其是全新的 DRV8316，它能够在仅 35 平方毫米的封装尺寸下提供高达70W的功率。
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