探索英飛凌最新120V溝槽功率MOSFET技術(shù)：從原理到應(yīng)用

在電子工程領(lǐng)域，功率MOSFET技術(shù)的不斷創(chuàng)新推動(dòng)著各類電力電子設(shè)備向更高效率、更高功率密度和更高系統(tǒng)可靠性邁進(jìn)。英飛凌作為行業(yè)的領(lǐng)軍者，近期推出了全新的OptiMOS? 6 120 V功率MOSFET技術(shù)，為我們帶來(lái)了諸多驚喜。今天，我們就來(lái)深入探討這一技術(shù)及其在三相功率逆變器板上的應(yīng)用。

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一、OptiMOS? 6 120 V功率MOSFET技術(shù)亮點(diǎn)

1.1 技術(shù)背景與優(yōu)勢(shì)

隨著市場(chǎng)對(duì)高效、高功率密度和高可靠性電源系統(tǒng)需求的不斷增長(zhǎng)，英飛凌憑借其在溝槽MOSFET技術(shù)方面的豐富經(jīng)驗(yàn)和對(duì)客戶反饋的深刻理解，開(kāi)發(fā)出了OptiMOS? 6 120 V MOSFET。這項(xiàng)新技術(shù)具有極低的導(dǎo)通電阻和柵極電荷，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最佳的品質(zhì)因數(shù)（FOM），非常適合高頻開(kāi)關(guān)電源（SMPS）和高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

以TOLL封裝的OptiMOS? 6 120 V為例，其焊接觸面積比傳統(tǒng)封裝大50%，這使得電流密度降低，在高電流和高溫條件下能有效減少電磁干擾（EMI），從而提高系統(tǒng)的可靠性。

1.2 關(guān)鍵特性對(duì)比

1.2.1 導(dǎo)通電阻（RDS(on)）

與上一代OptiMOS? 3 120 V MOSFET相比，OptiMOS? 6 120 V功率MOSFET技術(shù)的導(dǎo)通電阻顯著降低。具體來(lái)說(shuō)，RDS(on)典型值降低了36%，這帶來(lái)了多方面的優(yōu)勢(shì)。首先，導(dǎo)通損耗大幅降低，提高了系統(tǒng)效率；其次，在高功率應(yīng)用中，可以減少并聯(lián)MOSFET的數(shù)量，降低物料清單（BOM）成本，同時(shí)提高功率密度；此外，還能節(jié)省散熱系統(tǒng)成本，改善熱性能。

1.2.2 柵極電荷特性

在柵極電荷特性方面，OptiMOS? 6同樣表現(xiàn)出色。與OptiMOS? 3相比，Qg典型值降低了28%，Qgd典型值降低了32%。這不僅使得開(kāi)關(guān)損耗降低，提高了系統(tǒng)效率和熱性能，還降低了柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流要求，使MOSFET能夠更快地導(dǎo)通，進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗。

1.2.3 技術(shù)品質(zhì)因數(shù)（FOM）

技術(shù)品質(zhì)因數(shù)FOMg（柵極電荷與導(dǎo)通電阻的乘積）和FOMgd（柵極漏極電荷與導(dǎo)通電阻的乘積）是衡量MOSFET性能的重要指標(biāo)。OptiMOS? 6 120 V TOLL MOSFET在這兩個(gè)指標(biāo)上分別比上一代降低了54%和56%，這意味著更高的效率、更高的功率密度和更高的系統(tǒng)可靠性。

1.2.4 輸出電容品質(zhì)因數(shù)（FOMoss）

FOMoss定義為Qoss × RDS(on)，OptiMOS? 6與BiC OptiMOS? 3 120 V功率MOSFET相比提高了6%。這表明新技術(shù)在高頻和高壓開(kāi)關(guān)應(yīng)用中具有更好的效率和熱性能。此外，BiC OptiMOS? 6在較高電壓下輸出電容的線性度有助于減少M(fèi)OSFET關(guān)斷時(shí)的VDS過(guò)沖。

1.2.5 傳輸特性和安全工作區(qū)

通過(guò)對(duì)比OptiMOS? 6和OptiMOS? 3的傳輸特性，我們發(fā)現(xiàn)OptiMOS? 6在較低的VGS下具有更好的抗熱失控能力，但在電池管理系統(tǒng)等線性工作區(qū)域可能存在熱不穩(wěn)定問(wèn)題。在安全工作區(qū)方面，OptiMOS? 6在大多數(shù)區(qū)域都有改進(jìn)，但由于傳輸特性曲線中零溫度系數(shù)（ZTC）點(diǎn)的位置，在電池管理系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)需要謹(jǐn)慎考慮。

二、EVAL_TOLL_72VDC_2kW評(píng)估板詳解

2.1 基本信息

EVAL_TOLL_72VDC_2kW評(píng)估板采用了OptiMOS? 6 120 V功率MOSFET技術(shù)，適用于電池供電的60 - 84 V無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。該板需要與英飛凌XMC1300驅(qū)動(dòng)卡KIT_XMC1300_DC_V1（或更高版本）配合使用，通過(guò)32針公母連接器連接。

2.2 板參數(shù)和技術(shù)數(shù)據(jù)

2.3 主要特點(diǎn)

• 單MOSFET設(shè)計(jì)：逆變器的每個(gè)橋臂采用單個(gè)MOSFET，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
• 標(biāo)準(zhǔn)連接器：使用標(biāo)準(zhǔn)的32針公母連接器與XMC1300驅(qū)動(dòng)卡接口，方便連接和調(diào)試。
• 寬輸入電壓范圍：支持60 - 84 V的輸入電壓，適用于多種電池供電系統(tǒng)。
• 高相電流能力：每個(gè)相的最大相電流可達(dá)100 Apeak，滿足高功率應(yīng)用需求。
• 保護(hù)功能：具備過(guò)流保護(hù)（OCP）和過(guò)溫保護(hù)（OTP）功能，提高系統(tǒng)的可靠性。
• 板載電源：提供12 V和5 V的板載電源，分別為柵極驅(qū)動(dòng)器IC和微控制器供電。
• 控制方式支持：硬件支持使用霍爾傳感器或反電動(dòng)勢(shì)（back EMF）的六步換相控制和磁場(chǎng)定向控制（FOC）。

2.4 硬件描述

2.4.1 電源供應(yīng)

評(píng)估板采用英飛凌的ILD8150降壓LED驅(qū)動(dòng)IC將電池電壓（60 - 84 V）降至12 V，為柵極驅(qū)動(dòng)器IC供電。同時(shí)，通過(guò)線性穩(wěn)壓器（LDO）將12 V進(jìn)一步降至5 V，為微控制器和其他模擬電路供電。為了確保在高電池電壓下的安全運(yùn)行，還采用了簡(jiǎn)單的電壓調(diào)節(jié)電路。

2.4.2 柵極驅(qū)動(dòng)器

使用英飛凌的EiceDRIVER? 1EDN8550B單通道高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器IC來(lái)驅(qū)動(dòng)三相逆變器MOSFET。該驅(qū)動(dòng)器具有真正的差分輸入（TDI）電路，提供出色的共?？箶_性，消除了誤觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4.3 保護(hù)電路

為了保護(hù)三相逆變器的MOSFET免受過(guò)高電流的損害，評(píng)估板設(shè)計(jì)了完善的過(guò)流保護(hù)（OCP）電路。通過(guò)測(cè)量每個(gè)相的分流電阻上的電壓降，并將其與參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流時(shí)，觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，關(guān)閉逆變器。

2.4.4 功率板連接器

功率板通過(guò)32針連接器與XMC1300驅(qū)動(dòng)卡連接，詳細(xì)的引腳分配確保了信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸和控制。

2.4.5 TOLL MOSFET

評(píng)估板在功率逆變器部分采用了英飛凌的IPT017N12NM6 TOLL MOSFET。該MOSFET采用漏極向下的封裝設(shè)計(jì)，通過(guò)增大PCB上漏極和源極的焊盤面積，可以提高導(dǎo)電性。同時(shí)，在PCB底部添加散熱器，通過(guò)熱絕緣材料（TIM）將熱量傳遞到散熱器，使逆變器能夠輸出更高的功率。

2.4.6 散熱器和熱絕緣材料

為了實(shí)現(xiàn)高效散熱，評(píng)估板選用了定制的散熱器和具有高導(dǎo)熱性能的熱絕緣材料（TIM）。散熱器安裝在PCB底部，通過(guò)螺絲固定，確保良好的熱接觸。

2.5 控制和固件

2.5.1 梯形控制（六步或塊換相）

BLDC電機(jī)通常采用梯形控制（也稱為六步或塊換相），通過(guò)六個(gè)換相間隔來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這種控制算法簡(jiǎn)單，但會(huì)產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。評(píng)估板的固件基于英飛凌的BLDC_SCALAR_HALL_XMC13平臺(tái)開(kāi)發(fā)，通過(guò)微控制器生成PWM信號(hào)來(lái)控制MOSFET的開(kāi)關(guān)。

2.5.2 P - I控制

為了調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，評(píng)估板采用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了比例 - 積分（P - I）控制。通過(guò)比較設(shè)定的速度值和實(shí)際測(cè)量的速度值，計(jì)算誤差并進(jìn)行校正，以確保電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 測(cè)試設(shè)置

3.2 柵極驅(qū)動(dòng)電路

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，MOSFET的柵極在導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于一個(gè)未充電的電容。為了防止MOSFET在最大負(fù)載下發(fā)生雪崩和誤觸發(fā)，需要合理選擇外部柵極電阻。實(shí)驗(yàn)中，OptiMOS? 6和OptiMOS? 3的外部柵極電阻進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，以確保最佳的開(kāi)關(guān)性能。

3.3 工作波形

通過(guò)示波器記錄了OptiMOS? 6和OptiMOS? 3在不同條件下的工作波形，包括柵極 - 源極電壓、漏極 - 源極電壓和相電流。從波形中可以直觀地看出OptiMOS? 6在開(kāi)關(guān)速度和損耗方面的優(yōu)勢(shì)。

3.4 功率損失分析

對(duì)比OptiMOS? 6和OptiMOS? 3在最大負(fù)載下的總功率損失，發(fā)現(xiàn)OptiMOS? 6的功率損失明顯更低。這進(jìn)一步證明了其在提高系統(tǒng)效率方面的優(yōu)勢(shì)。

3.5 功率測(cè)量

通過(guò)功率分析儀測(cè)量了OptiMOS? 6和OptiMOS? 3在不同輸入功率下的輸入和輸出功率。結(jié)果顯示，OptiMOS? 6的效率更高，能夠在相同的輸入功率下輸出更多的功率。具體來(lái)說(shuō)，OptiMOS? 6的效率達(dá)到了96.98%，而OptiMOS? 3的效率為96.35%。

3.6 熱測(cè)量

熱圖像顯示，在相同的輸入功率和測(cè)試條件下，OptiMOS? 6的溫度上升更低。這表明OptiMOS? 6具有更好的熱性能，能夠在更高的功率下穩(wěn)定運(yùn)行。

3.7 原理圖和PCB布局

評(píng)估板的原理圖和PCB布局經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，確保了信號(hào)的穩(wěn)定傳輸和良好的散熱性能。PCB采用六層設(shè)計(jì)，每層均為2 oz銅，板尺寸為172 mm x 129.77 mm，材料為FR4。

3.8 物料清單（BOM）

評(píng)估板的完整物料清單可以從英飛凌網(wǎng)站的下載部分獲取。清單中詳細(xì)列出了各個(gè)元件的型號(hào)、參數(shù)和供應(yīng)商，為工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和采購(gòu)提供了便利。

四、總結(jié)與思考

英飛凌的OptiMOS? 6 120 V功率MOSFET技術(shù)在導(dǎo)通電阻、柵極電荷、品質(zhì)因數(shù)等方面都有顯著的提升，為高頻開(kāi)關(guān)電源和高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用帶來(lái)了更高的效率和可靠性。EVAL_TOLL_72VDC_2kW評(píng)估板作為這一技術(shù)的應(yīng)用示例，充分展示了其在三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的優(yōu)勢(shì)。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，我們也需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景來(lái)選擇合適的MOSFET和控制策略。例如，OptiMOS? 6在電池管理系統(tǒng)等線性工作區(qū)域可能存在熱不穩(wěn)定問(wèn)題，需要進(jìn)行額外的考慮和優(yōu)化。

作為電子工程師，我們應(yīng)該密切關(guān)注行業(yè)的最新技術(shù)動(dòng)態(tài)，不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，將先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，為推動(dòng)電子行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。你在實(shí)際項(xiàng)目中是否使用過(guò)類似的MOSFET技術(shù)？遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)和問(wèn)題？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。