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为高功率电机驱动而生——英飞凌Eval 5kW TO-Leadless100V功率板评测
发布时间:2015-04-01
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为高功率电机驱动而生——英飞凌Eval 5kW TO-Leadless100V功率板评测
发布时间:2015-04-01
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谈到MOS管,很多工程师或许会不以为然,这个如今在电子电路中的应用如同电阻电容那样广泛的器件,似乎没有什么好深究的,情况真是这样吗?

我先来说个故事,故事的主人公暂且叫小明,小明是一家民营企业的硬件开发工程师,这个公司主要是面向电机驱动控制领域的产品,并且非常注重成本的控制。有一天,项目下来了,一款高功率的电机驱动方案,小明负责这个新项目,但是在项目初始设计的阶段,尤其涉及到产品功能的电子元件选型上,小明还是不敢托大,会尽量选择一些国际品牌的电子元件,而当项目进行初次试产并且性能、功能OK且留有余量的时候,小明决定开始做项目成本Costdown的任务了,他会将一些价格比较贵的国外的阻容器件、电感、MOS管等都换成国内的产品进行验证,但是,当涉及到电机功率MOS管驱动电路的时候,小明住手了,他不敢轻易尝试,尤其作为一个高功率电机驱动电路,为了追求高功率的输出,小明在设计中愣是将多个MOS管并联以减小内阻,这对MOS管本身特性的一致性也是颇大的考量,更何况还有功率MOS管本身的最大电流、散热性、可靠性、一致性等诸多需要考量并且常时间验证的因素。现实中这样的故事也是比比皆是,虽然MOS管本身在电路中实现的功能简单,但是在设计中,尤其像故事中这种高功率的电机驱动电路,工程师需要考量的因素非常多,选择一款合适的功率MOS管可谓是设计的关键因素之一。

无独有偶,最近,英飞凌就扩充了其OptiMOS®家族新成员,推出了一款面向同步整流、电机驱动、太阳能逆变器等应用领域的功率MOS OptiMOS® 5 IPT015N10N5,爱板网也在第一时间拿到了基于此款功率MOS管器件的评估板Eval 5kW TO-Leadless100V,包装堪称豪华,手提式的造型,握感也相当不错,如下图所示。

打开包装盒,内有此次的Eval 5kW TO-Leadless100V评估板以及一个U盘(4GB,存放开发板的资料文档)。

Eval-5kW-TO-Leadless100V-2

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第一眼看到板卡,是不是被眼前的景象吓了一跳?仔细数了一下,有30颗MOS管,这么多MOS管,用来干嘛?这板卡又是做啥的呢?一瞬间是不是有诸多的疑问?不急,我会在文章中一一解答,首先,我们来了解下这颗MOS管。

OptiMOS® 5 IPT015N10N5(IPT015N10N5数据手册

IPT015N10N5是英飞凌OptiMOS®系列家族中最新的成员,属于中低压的功率MOS管,具有极低的通态电阻以及可支持达300A的大电流。虽然IPT015N10N5拥有极其耀眼的参数,但是,当你第一眼看到这颗MOS管的时候,你首先会惊讶它的封装形式?如下图所示

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这是什么封装?似乎并不常见,为什么采用这种封装,有什么好处呢?又是诸多的疑问,首先要告诉大家的是IPT015N10N5采用了英飞凌全新的TO-Leadless封装,这使整个功率MOS管的大小仅有11.7mm*9.9mm*2.3mm,这与同类产品的其它不同形式的封装如D²PAK 7pin封装相比,将近减少了60%的空间布局,这为如刀片式服务器等紧凑型应用带来了巨大的优势。

当然,采用TO-Leadless封装的IPT015N10N5可不仅仅只有PCB布局上的优势,众所周知,大功率MOS管温度特性也是一个想当重要的指标,过高的温度可能会导致电迁移现象,影响MOS管的参数,功能。而IPT015N10N5在源极采用了更多的引脚设计,大大增加了与PCB焊区的接触面(是D²PAK 7pin封装焊区接触面的1.5倍),从而降低了电流密度,有效的控制器件的整体温度,避免温度过高引起的电迁移现象造成MOS管的短路、断路、参数下降等情况。(下一页

如果再细心一点,我们还可以看到英飞凌在IPT015N10N5引脚处都下足了功夫,如下图所示,引脚前端都有一个沟槽,这可以让MOS管引脚在SMT时充分与PCB金属焊盘的融锡浸润,有效的防止虚焊,另外,也可以在没有X光线的条件下,仅凭肉眼就能查看器件是否有虚焊、接触不良现象。从这些小细节处,也不得不感叹一下德国人的严谨,即使一个引脚,原来也可以想得更多,设计的更好。

好了,了解完IPT015N10N5 MOS管独特的封装,我们再来看下其主要的参数:

IPT015N10N5一些主要的特性如下:

  • 耐压VDS:100V
  • 通态电阻RDS(ON),max:1.5mΩ(影响导通损耗)
  • 最大电流ID:300A
  • 输出电荷QOSS:213nC
  • MOS管结电容QG:169nC(影响开关损耗)

IPT015N10N5是一颗N沟道的MOSFET管,通态电阻值非常小,仅有1.5mΩ,非常适合应用在同步整流的开关电源应用中,撇除传统的二极管整流电路(损耗大),就算对比现有的一些MOS管整流电路(如英飞凌OptiMOS®  BSC067N06LS3 G),IPT015N10N5还是具有很大的优势,可以进一步提高电源的输出效率;而IPT015N10N5另外一大特点是100V的耐压值以及最大支持300A的大电流,这样的两个特性组合,决定了这颗MOS管在那些需要低电压、高功率的应用领域有用武之地,如电动车、电叉车等,而实际的应用中,可能不仅仅单用到一颗,为什么这么说呢?我们接着看。

Eval 5kW TO-Leadless100V功率板

了解完英飞凌的这颗OptiMOS® 5 IPT015N10N5 MOS管的特性,我们重头再来看看这块搭载了30颗这样的MOS管的板卡到底是干什么用的。

Eval 5kW TO-Leadless100V评估板采用铝基板材料,单层设计,板卡的大小约为139mm*102mm,如下图所示。众所周知,铝具有非常好的高导热性能,有助于散热,非常适合高功率、高发热的电路上使用,我们也可以在爱板网拆解过的LED照明灯具的电路上看到。

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如果仔细观看板卡的电路,就能发现板卡设计了三个一样的半桥电路组成一个三相控制驱动电路,不过,板卡上的半桥电路的组成可能会与我们平时见过的半桥电路有些区别,Eval 5kW TO-Leadless100V评估板的每个半桥电路都由5组MOS管并联构成,如下图所示,这样做的目的是什么?

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这还是得回到MOS管本身的特性来说,IPT015N10N5是一款低电压、高电流特性的功率MOS管,虽然本身的通态电阻值已经很小了,这里,Eval 5kW TO-Leadless100V评估板为了追求“极致的”输出功率,愣是将5组MOS管并联以进一步减少导通的内阻,比如IPT015N10N5单个MOS管导通电阻为1.5mΩ,5组并联可以使内阻降低到0.3mΩ,大大增加了输出功率。

当然,真正应用中可不止将它们简单的并联起来这么简单,要考虑的其它因素也很多,如MOS管本身的工艺、特性偏差小等因素,从英飞凌敢这么设计我们也能看出其对自身产品的自信。事实上,也有不少采用国内厂商MOS管并联的方案,但大多数情况下都会因MOS管特性偏差大而串接均流电阻,这样,整体功耗也就上去了,影响高功率的输出。(下一页

另外,Eval 5kW TO-Leadless100V评估板也为工程师提供了直接使用、评估的可能,我们可以在板卡上看到多个螺栓,螺钉以及排针座的连接孔,这样的设计大大方便了工程师使用板卡直接用于产品、项目中的测试,了解板卡的性能。相关的接口信号如下图所示

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应用

了解了英飞凌OptiMOS® 5 IPT015N10N5 MOS管以及整个板卡的电路情况,那么,实际该如何应用呢?

  • 同步整流

首先,由于IPT015N10N5具有极低的通态电阻,可以取代二极管作为同步整流的应用(如下图),并且适合大电流输出的同步整流应用,相比一般的MOS管也更具有优势。

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  • 电叉车

下图中的产品相信见过的人不少,这是专门用于装卸货物的电动叉车,随着电子技术的发展,电路的工作电压越来越低,工作电流需求却越来越大,像下图中的这种电动叉车就是典型的低电压供电,高电流工作设备。这时,将多个IPT015N10N5 MOS管设计成半桥结构电路作为电动叉车电机的驱动电路(如文章中英飞凌Eval 5kW TO-Leadless100V功率板),就能较好的满足这种低电压、大功率输出的设备。

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当然,如果我们再细看一下电动叉车的核心电路组成,从电源到控制、到驱动,英飞凌几乎可以出产一整套自家的解决方案。从中我们甚至能隐隐看到英飞凌背后的“宏图”,一个初见雏形的生态圈正在慢慢形成,对于其他竞争厂家来说,这也是一场带着危机感的角逐,不过对于工程师或者用户来说,这倒是喜闻乐见的事,整套的解决方案可以加速产品研发的周期。除了以上的应用外,OptiMOS® 5 IPT015N10N5 在电动车、通信电源、服务器等诸多需要低电压,大功率的领域都有很好的适用性,工程师可以根据自己的需求来选型。

小结

介绍了英飞凌推出的最新的OptiMOS® 5  IPT015N10N5功率MOS管以及Eval 5kW TO-Leadless100V功率板,IPT015N10N5采用了更小的TO-Leadless封装,具备1.5mΩ极低的通态电阻、最大可支持300A的大电流,适用于大电流、高可靠性要求的应用场合,如同步整流电路;基于IPT015N10N5 MOS设计的功率板更是将5组MOS管并联追求“极致”的输出功率,电路采用了三相半桥控制设计,是低电压、高功率设备的理想解决方案,如电叉车、电动车等领域。

参考资料

原创申明:本文为爱板网原创,谢绝转载!

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讨论 (2)

讨论区
Happy_Baymax ·  2016-03-16
zmh169 ·  2015-11-13
学雷锋 ·  2015-11-13

@zmh169:并联是为了减小内阻,不是为了增大电流

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llllvvvv ·  2015-11-13

@zmh169:我觉得是考虑到设计时候的稳定性以及可靠性

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