【技术大神】智能电机控制系统应用之MOSFET的选型经验分享

时间： 2017-01-13 来源：世强

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笔者从事伺服驱动器设计有一段时间了，本文就MOSFET的选型做一些自己经验积累的分享。前一段时间在选型的时候看了几家公司的MOSFET资料，一番对比之后选用了central的MOSFET，型号是：CWDM3011N和CWDM3011P。

交代一下项目的基本参数：驱动板的母线电压为5-12V，驱动无刷直流电机，电机的额定电流为5A，最大峰值电流为8A。应用场合为：小型风机驱动板，四轴飞行器云台电机控制器。下面我就central的MOSFET的Datasheet详细地分享一下我在做MOSFET选型时的经验。

首先介绍几个基本的参数：Vds、Vgs、Id、Rds。其中，Vds漏源极电压，代表管子关断时能承受的最大电压。Vgs栅源极电压，代表使管子导通时候的偏置电压。Id代表管子导通时能承受的最大电流，这个电流值之间对应热损耗，所以是有效值。Rds代表管子导通时候的等效内阻。

在笔者的应用场合下，小功率的MOS管直接采用锂电池转换的直流电供电，在计算电压参数的时候不需要进行交流——直流的电压转换。不过在这里还要提一下，如果是交流电经过带电容的全波整流后，输出的电压峰值为1.414*Vmax。我们在选择管子的时候要选取2倍电压值以上，就算是锂电池直接供电，也要留有足够的余量。原因在于如果电机运行于弱磁高速的工况下，突然断开电源回路，会导致电容两端的电压突增，极端情况下还会炸裂电容，冲坏MOS管。因此Vds笔者选取30V左右。对于Id笔者习惯于选取峰值电流的1.5倍左右的值，随着电流增大，温度会升高，所以半导体的导电效率会变差，为了保证不烧坏管子，所以Id参数也要留有一定的余量，笔者取12A左右。

图1：参数选型范围列表

合理的选型方式还需大家自己摸索，笔者给出自己的方法是先给出电压、电流的最大值的范围。在这个范围内，再根据自己设计的MOS驱动方式、散热能力综合选择合理的MOS管。

笔者做的电调驱动板首要考虑的是成本因素，因此对于MOS驱动的方式能用IO加上拉电阻驱动最好；其次考虑的是散热的方式以及漏极热焊盘的大小。由于做的是云台驱动，所以电机的工况不会一直满负载，因此散热和内阻对选型的影响不是很大。所以，接下来要考虑的参数便是参数Vgs，笔者在central的官网选型页面找到了CWDM3011N，其各特性参数如下图所示：

图2：CWDM3011N特性参数图

下图是它的特性曲线图：

图3：特定Vgs下，Vds和Id的关系曲线

在驱动电机的时候，我们都希望MOSFET能工作在图三红线右侧的区域，该区域叫做饱和区域，在此区域里面，效率相对来说是最高的。

图4：特定Vds下，Vgs和Id的关系

考虑Vgs能否用IO直接驱动的要点之一，就是要综合参考图三和图四这两幅曲线图。图四的曲线基于Vds=1.2V，可以看出在Vgs=4.5V的时候，电流早已超出额定最大电流。返回去看图三，当Vgs=4.5V时，Vds>1.8V，MOS就已经工作在饱和区域。因此选型满足要求。

除了以上的问题之外，还有一些参数是值得我们思考的，最主要的便是开通、关断时间。对于NMOS来说，影响开通时间的便是栅极和源极之间的电容以及寄生在电路中的杂散电容。这一点光看数据手册是无法解决问题的，所以还需要我们去实测才能解决问题。影响开通时间的是结电容参数，电容参数值越大，开通时间长，但是EMC性能越好。电容参数值越小，开通时间越短，但是EMC性能会降低。

对于N沟道和P沟道两种MOS，在电路上的布局为上桥臂采用P型，下桥臂采用N型，这样的三相全桥逆变电路能省下很多麻烦。现在的MOSFET几乎都带有续流二极管，因此在设计全桥电路的时候，必须要考虑到二级管的方向。

图5：N沟道和P沟道的MOS

总结上文所述，笔者在选型的时候从需求出发，先考虑电压电流的最大值，选出一些可用的MOS。再综合成本、驱动方式、内阻和散热等问题考虑具体型号。对于模拟器件的选型，Datasheet中的数据曲线图往往比第一页的参数表更为重要。结合曲线图进行合理选型之后，还需要测试管子导通时间等需要软件进行补偿的必要参数。最后才能够将其合理地应用到设计中。

文中如有不当的地方，欢迎各位大神指正。

作者：坚栋

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土木 Lv7. 资深专家 2017-02-19

回复155**34用户：应该这样理解的，如果用id=0的控制策略，一般电压不会有过冲；如果进入弱磁阶段，此时永磁电机被退磁，转速升高，此时突然断电撤去母线电压，那么永磁体瞬间被充磁，此时在转速无法突变的情况下，反电势会突增，过冲是由于这个导致的，因此弱磁停机不能直接断下管，要打开泄放回路，同时慢慢拉起id让电机慢慢停下
用户27603862 Lv3. 高级工程师 2017-02-16

在电机处于高速旋转的时候，如果此时突然停机，是因为反电动势导致的母线过冲吗？此过冲电压我在实际测试时会发现如果软件中没有做处理的时候，电压往往会过冲到两倍以上电压，所以我的经验是VDS电压要留三倍裕量。
木chen Lv8. 研究员 2017-01-16
业业 Lv3. 高级工程师 2017-01-14

可以谢谢楼主分享
莺莺 Lv7. 资深专家 2017-01-13

写的还不错，大家的评论交流不是太踊跃呀。

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