【導讀】機器人與工業(yè)自動化設(shè)備已經(jīng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺席的要角，如今機器人也陸續(xù)朝向家用與商用市場發(fā)展，以不同的形態(tài)、功能，出現(xiàn)在消費者的面前。這些機器人都需要穩(wěn)定的電源來驅(qū)動電機與控制系統(tǒng)，MOSFET（金屬氧化物半導體場效應(yīng)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(xù)演進
場效應(yīng)晶體管（FET）背后的理論自1920~1930年就已為人所知，這比雙極結(jié)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，美國的Julius Edgar Lilienfeld提出了一種晶體管模型，每側(cè)有兩個金屬觸點，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，能夠控制金屬觸點之間的電流，這是FET的最初概念，William Shockely則于1952年推出了結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）。
MOSFET在1960年由貝爾實驗室的Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng首次實作成功，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(guī)模集成電路設(shè)計與制造上，其重要性遠超過BJT。MOSFET已經(jīng)是現(xiàn)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具有更快的開關(guān)速度（非常適合數(shù)字信號）、更小的尺寸、顯著降低的功耗，以及更高的密度（適合大規(guī)模集成）。此外，MOSFET也更便宜，并且具有相對簡單的加工步驟，從而擁有高制造良率。
近年來由于MOSFET組件朝向微縮和小型化發(fā)展，MOSFET的效能逐漸提升，推動著電子半導體技術(shù)快速的呈指數(shù)級增長，并支持存儲芯片和微處理器等高密度IC等數(shù)字信號處理的應(yīng)用，也有越來越多模擬信號處理的集成電路可以用MOSFET來實現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。
功率MOSFET重要性日增市場日益龐大
功率MOSFET則是專門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(yīng)用是使用BJT作為開關(guān)器件，但因為其有一些缺點，導致了功率MOSFET的發(fā)展，經(jīng)過不斷的研究改進使MOSFET具備替代BJT的特性，使得功率MOSFET常用于開關(guān)模式電源（SMPS）、電腦外圍設(shè)備、汽車和電機控制等應(yīng)用。
功率MOSFET的優(yōu)點是其切換速度快，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(qū)動上比較容易。功率MOSFET的缺點是增益較小，有時柵極驅(qū)動的電壓甚至比實際要控制的電壓還低。
隨著MOSFET及CMOS技術(shù)持續(xù)的演進，自1960年起MOSFET已用在集成電路上，這也是功率MOSFET的設(shè)計得以實現(xiàn)的原因。功率MOSFET自1970年代開始便有商品販賣，目前更是百家爭鳴，市面上的產(chǎn)品相當多樣。
功率MOSFET是世界上最常見的功率半導體器件，因為其可實現(xiàn)低柵極驅(qū)動功率、快速開關(guān)速度和先進的并聯(lián)能力，并具有高帶寬、堅固耐用、易于驅(qū)動、偏壓簡單、容易使用、容易維修等特性，尤其是應(yīng)用最廣泛的低壓（小于200 V）開關(guān)，包括大部份的電源供應(yīng)器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、低電壓電機控制器等，以及許多其他的應(yīng)用，市場空間相當龐大。
依據(jù)應(yīng)用需求來選擇合適的MOSFET
市面上生產(chǎn)MOSFET的廠家眾多，型號與類型更是多如過江之鯽，導致工程師常會出現(xiàn)MOSFET的選擇困難。當然，選擇MOSFET得先觀看廠家提供的數(shù)據(jù)表，然后依據(jù)自己的應(yīng)用需求來選擇合適的產(chǎn)品。
選擇MOSFET首先要確認電壓等級，再來則是導通電阻（RDS(on)）、額定電流、功率耗散。不過，由于MOSFET會受到工作溫度的影響，因此得先了解該器件的測試條件，數(shù)據(jù)表上的數(shù)值是“最大”或是“典型”值，這都會影響到器件的實際表現(xiàn)。
此外，MOSFET的選型還可分成四個步驟。首先要決定選用N溝道還是P溝道，若是MOSFET使用在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOSFET，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當MOSFET連接到總線及負載接地時，就要用高壓側(cè)開關(guān)，通常會采用P溝道MOSFET。
再來則是選擇MOSFET額定電流，該額定電流應(yīng)是負載在所有情況下能夠承受的最大電流，即是系統(tǒng)在連續(xù)模式和脈沖尖峰時所產(chǎn)生的尖峰電流，因此只需選擇能承受這個最大電流的器件即可。
接下來則是確定熱需求，設(shè)計人員必須考慮最壞情況和真實情況下的系統(tǒng)散熱要求，建議要以最壞情況的計算結(jié)果作為主要考慮，以提供更大的安全余量，確保系統(tǒng)不會失效。
最后則是要決定開關(guān)性能，影響開關(guān)性能的參數(shù)有很多，但最重要的是電容所產(chǎn)生的開關(guān)損耗，因為在每次開關(guān)時都要對電容充電，因此會影響到器件的效率。
提升電機運作效能的功率MOSFET
近年來，隨著機器人與自動化設(shè)備應(yīng)用的快速發(fā)展，在這些設(shè)備中，采用了數(shù)量龐大的電機，用以控制機器零部件與自身的移動，因此需要眾多的功率MOSFET來驅(qū)動電機。安森美針對電機驅(qū)動應(yīng)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，具有較低的開關(guān)噪聲／電磁干擾（EMI），并是無鉛、無鹵素／無溴化阻燃劑（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(qū)動器損失，可應(yīng)用于機器人與自動化設(shè)備、電動工具、電池供電的真空吸塵器、無人機、物料搬運、電池管理系統(tǒng)（BMS）／存儲、家庭自動化等領(lǐng)域，常見的最終產(chǎn)品包括電機控制、工業(yè)電源與太陽能逆變器等。
結(jié)語
機器人與自動化設(shè)備采用了眾多的電機來驅(qū)動機器運轉(zhuǎn)，因此采用高效率、穩(wěn)定的功率MOSFET來驅(qū)動電機，將是提升設(shè)備運作效率的關(guān)鍵。安森美是重要的MOSFET供應(yīng)商之一，提供多樣的MOSFET產(chǎn)品線，并針對電機驅(qū)動應(yīng)用推出相對應(yīng)的功率MOSFET，將會是機器人與自動化設(shè)備應(yīng)用的最佳選擇。
來源：艾睿電子
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