提供工業(yè)自動(dòng)化設備穩定的電源驅動(dòng)力

機器人與工業(yè)自動(dòng)化設備已經(jīng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可缺席的要角，如今機器人也陸續朝向家用與商用市場(chǎng)發(fā)展，以不同的形態(tài)、功能，出現在消費者的面前。這些機器人都需要穩定的電源來(lái)驅動(dòng)電機與控制系統，MOSFET（金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）便在其中扮演重要的角色。本文將為您介紹MOSFET的發(fā)展歷程，以及安森美（onsemi）所推出的功率MOSFET的功能特性。

MOSFET歷史悠久持續演進(jìn)

場(chǎng)效應晶體管（FET）背后的理論自1920~1930年就已為人所知，這比雙極結型晶體管（BJT）的發(fā)明早了20年，但由于缺乏合適的半導體材料和技術(shù)不成熟，發(fā)展非常緩慢。當時(shí)，美國的Julius Edgar Lilienfeld提出了一種晶體管模型，每側有兩個(gè)金屬觸點(diǎn)，半導體頂部有一塊金屬板（鋁）。由金屬板提供的電壓形成的半導體表面的電場(chǎng)，能夠控制金屬觸點(diǎn)之間的電流，這是FET的最初概念，William Shockely則于1952年推出了結型場(chǎng)效應晶體管（JFET）。

MOSFET在1960年由貝爾實(shí)驗室的Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng首次實(shí)作成功，這種組件和Shockely等人發(fā)明的BJT的操作原理有相當大的差異，且因為MOSFET的制造成本更為低廉，并具有面積較小、高集成度的優(yōu)勢，在大規模集成電路設計與制造上，其重要性遠超過(guò)BJT。MOSFET已經(jīng)是現代電子產(chǎn)品的基本組成部分，也是歷史上制造最頻繁的器件。

與BJT相比，MOSFET具有更快的開(kāi)關(guān)速度（非常適合數字信號）、更小的尺寸、顯著(zhù)降低的功耗，以及更高的密度（適合大規模集成）。此外，MOSFET也更便宜，并且具有相對簡(jiǎn)單的加工步驟，從而擁有高制造良率。

近年來(lái)由于MOSFET組件朝向微縮和小型化發(fā)展，MOSFET的效能逐漸提升，推動(dòng)著(zhù)電子半導體技術(shù)快速的呈指數級增長(cháng)，并支持存儲芯片和微處理器等高密度IC等數字信號處理的應用，也有越來(lái)越多模擬信號處理的集成電路可以用MOSFET來(lái)實(shí)現，應用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。

功率MOSFET重要性日增市場(chǎng)日益龐大

功率MOSFET則是專(zhuān)門(mén)處理大功率的電壓和電流的MOSFET，也是功率半導體的一種。早期電源應用是使用BJT作為開(kāi)關(guān)器件，但因為其有一些缺點(diǎn)，導致了功率MOSFET的發(fā)展，經(jīng)過(guò)不斷的研究改進(jìn)使MOSFET具備替代BJT的特性，使得功率MOSFET常用于開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）、電腦外圍設備、汽車(chē)和電機控制等應用。

功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是其切換速度快，在低電壓下具有高效率。功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）都有隔離的柵體，因此在驅動(dòng)上比較容易。功率MOSFET的缺點(diǎn)是增益較小，有時(shí)柵極驅動(dòng)的電壓甚至比實(shí)際要控制的電壓還低。

隨著(zhù)MOSFET及CMOS技術(shù)持續的演進(jìn)，自1960年起MOSFET已用在集成電路上，這也是功率MOSFET的設計得以實(shí)現的原因。功率MOSFET自1970年代開(kāi)始便有商品販賣(mài)，目前更是百家爭鳴，市面上的產(chǎn)品相當多樣。

功率MOSFET是世界上最常見(jiàn)的功率半導體器件，因為其可實(shí)現低柵極驅動(dòng)功率、快速開(kāi)關(guān)速度和先進(jìn)的并聯(lián)能力，并具有高帶寬、堅固耐用、易于驅動(dòng)、偏壓簡(jiǎn)單、容易使用、容易維修等特性，尤其是應用最廣泛的低壓（小于200 V）開(kāi)關(guān)，包括大部份的電源供應器、DC-DC轉換器、低電壓電機控制器等，以及許多其他的應用，市場(chǎng)空間相當龐大。

依據應用需求來(lái)選擇合適的MOSFET

市面上生產(chǎn)MOSFET的廠(chǎng)家眾多，型號與類(lèi)型更是多如過(guò)江之鯽，導致工程師常會(huì )出現MOSFET的選擇困難。當然，選擇MOSFET得先觀(guān)看廠(chǎng)家提供的數據表，然后依據自己的應用需求來(lái)選擇合適的產(chǎn)品。

選擇MOSFET首先要確認電壓等級，再來(lái)則是導通電阻（RDS(on)）、額定電流、功率耗散。不過(guò)，由于MOSFET會(huì )受到工作溫度的影響，因此得先了解該器件的測試條件，數據表上的數值是“最大”或是“典型”值，這都會(huì )影響到器件的實(shí)際表現。

此外，MOSFET的選型還可分成四個(gè)步驟。首先要決定選用N溝道還是P溝道，若是MOSFET使用在低壓側開(kāi)關(guān)中，應采用N溝道MOSFET，這是出于對關(guān)閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線(xiàn)及負載接地時(shí)，就要用高壓側開(kāi)關(guān)，通常會(huì )采用P溝道MOSFET。

再來(lái)則是選擇MOSFET額定電流，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流，即是系統在連續模式和脈沖尖峰時(shí)所產(chǎn)生的尖峰電流，因此只需選擇能承受這個(gè)最大電流的器件即可。

接下來(lái)則是確定熱需求，設計人員必須考慮最壞情況和真實(shí)情況下的系統散熱要求，建議要以最壞情況的計算結果作為主要考慮，以提供更大的安全余量，確保系統不會(huì )失效。

最后則是要決定開(kāi)關(guān)性能，影響開(kāi)關(guān)性能的參數有很多，但最重要的是電容所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗，因為在每次開(kāi)關(guān)時(shí)都要對電容充電，因此會(huì )影響到器件的效率。

提升電機運作效能的功率MOSFET

近年來(lái)，隨著(zhù)機器人與自動(dòng)化設備應用的快速發(fā)展，在這些設備中，采用了數量龐大的電機，用以控制機器零部件與自身的移動(dòng)，因此需要眾多的功率MOSFET來(lái)驅動(dòng)電機。安森美針對電機驅動(dòng)應用，推出了NTBLS1D5N10MC這款單極、N溝道的功率MOSFET。

安森美的NTBLS1D5N10MC是一款單極、N溝道的功率MOSFET，支持TOLL封裝，可輸出100 V、1.53 mΩ、312 A的功率，具備低RDS(ON)、低總柵極電荷（QG）和電容，具有較低的開(kāi)關(guān)噪聲／電磁干擾（EMI），并是無(wú)鉛、無(wú)鹵素／無(wú)溴化阻燃劑（BFR）的器件，并且符合RoHS標準，可最小化傳導損耗，最大限度地減少驅動(dòng)器損失，可應用于機器人與自動(dòng)化設備、電動(dòng)工具、電池供電的真空吸塵器、無(wú)人機、物料搬運、電池管理系統（BMS）／存儲、家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域，常見(jiàn)的最終產(chǎn)品包括電機控制、工業(yè)電源與太陽(yáng)能逆變器等。

結語(yǔ)

機器人與自動(dòng)化設備采用了眾多的電機來(lái)驅動(dòng)機器運轉，因此采用高效率、穩定的功率MOSFET來(lái)驅動(dòng)電機，將是提升設備運作效率的關(guān)鍵。安森美是重要的MOSFET供應商之一，提供多樣的MOSFET產(chǎn)品線(xiàn)，并針對電機驅動(dòng)應用推出相對應的功率MOSFET，將會(huì )是機器人與自動(dòng)化設備應用的最佳選擇。