马达驱动应用求小巧/稳定/高效能 MOSFET新技术富潜力

随着马达驱动市场对系统的能效、尺寸和稳健性的要求越来越高。 为满足市场需求，半导体厂商针对不同的运作状况提供多种功率切换技术，例如IGBT、超高速功率(UltraFAST) MOSFET和最新的超接面功率MOSFET。

目前大型家电厂商以最高的效能等级为目标，即着重在省电；更准确地说，是降低稳定工作状态下的功率损耗，包括低负载和满负载的工况。因此，研发高效能开关，特别是在低电流条件下达到高效能，是满足这个市场需求的关键要素，同时也是半导体厂商研发新技术的动力。

随着过去几年技术改良取得较大的进步，最新的功率MOSFET技术可以真正替代变频马达控制中的IGBT，成为一个成功的解决方案，特别是在低负载状态下表现更加出色。

除了持续的效能需求外，整个变频系统设计还需要优化尺寸、可靠性和开发工作量。 为满足这些多重目标，意法半导体(ST)研发出三种不同的功率切换新技术，分别是IGBT、UltraFAST MOSFET与超接面MOSFET。

从这三项技术中选择哪一项技术需要考虑多项因素，例如功率大小、PWM切换频率、工作温度、控制策略等。

本文在实际应用中，针对三个不同智能功率模块进行详细的电气表征和热性能比较。 这三款模块分别采用三种切换技术：3A PowerMESH IGBT、2A UltraFAST MOSFET和3A超接面MOSFET。

低通态/切换损耗与可靠性为马达控制所需

马达控制是变压变频逆变器主要的应用领域。 功率转换器的目的是产生可控的电压和频率，利用脉宽调变方法，从直流电路产生交流输出波形，调变方法有许多种。 图1所示是最常用的马达控制技术，这是一个电压式逆变器(Voltage Source Inverter, VSI)的基础电路，其采用了3个半桥或相臂，为马达提供了三相交流电流。

该拓扑使用6颗功率切换组件让马达供给电压，控制马达转速、转子位置或电磁力矩。 每个半桥对电阻电感负载(马达)执行硬切换换流，连续输出负载电流，每次换流都需要6个二极管配合功率切换组件完成续流过程，以传导反向电流。 当下桥臂续流二极管是在反向恢复状态时，其电流方向与上桥臂二极管的电流方向相同，反之亦然。

因此，在导通换流时发生过冲现象，导致多余的功率损耗，如图2所示。 这代表着在硬切换换流的半桥拓扑内，续流二极管必须具有低正向偏压和快速反向恢复(低trr和Qrr)的特性。

很多马达驱动电路的切换频率是位于4kHz到20kHz范围之内，以此降低人耳能够听见的噪声，这要求功率切换首先具有低通态损耗，其次是低切换损耗。再者，马达驱动器还必须要稳健可靠，在保护电路启动之前，能够长时间耐受电压电流的突变。

因为是单极组件，无少数载流子，功率MOSFET的优点是正向偏压(VDS(on))随漏极电流线性降低和关断换流快。另一方面，其固有体硅二极管表现出与分立二极管相同的物理局限性，这是MOSFET结构所致。

在IGBT内，电压降(VCE(sat))与集电极电流不是线性关系。在变为通态前会出现一个阈压，饱和时在某一个集电极电流之上有一个接近恒定的正向压降，为取得预定的反向恢复耗能和正向偏压，可以选择共同封装的二极管及其尺寸。

最后，与IGBT相比，功率MOSFET的通态损耗低，尤其是在低电流时更为显著；关断耗能低，但导通耗能较高。 加快体硅二极管的反向恢复速度与所用技术制程有关。

制程、技术有所差异 IGBT/MOSFET对应不同需求

为满足马达控制的要求，半导体厂商须提供多种功率切换技术。 以意法SLLIMM-nano系列来说，便包含IGBT、UltraFAST MOSFET与超接面MOSFET三种方案。

SLLIMM-nano系列所用600V IGBT均采先进PowerMESH和沟槽场截止制程。 (图3左)这些功率组件提供典型的马达控制切换频率，在压降(VCE(sat))和切换耗能(Eon和Eoff)之间取得平衡，因此最大限度降低通态和切换两大损耗源产生的损耗。 IGBT和Turbo 2超高速高压续流二极管安装在同一个封装内，经过优化的二极管取得了最好的trr/VF比和恢复软度。

另一方面，UltraFAST MOSFET(图3中)则采用了UltraFASTmesh制程，其主要特性包括降低的RDS(on)通态电阻、齐纳栅极保护、极高的dv/dt耐受度，以及改善的快速恢复体漏二极管。

超接面MOSFET则采最新MDMesh DM2快速二极管技术(图3右)。 改善的生命周期控制方法使内部体硅二极管的反向恢复速度更快，软度和稳健性更佳，具极低的反向恢复电荷(Qrr)和极缩的反向恢复时间(trr)，以及很低的RDS(on)通态电阻，非常适用于高效电桥拓扑转换器。

比较动/静态耗能 MOSFET电性能不下IGBT

在典型工作温度Tj=100℃范围内的情境下，我们从动静态角度对三款组件进行了比较分析。

在小电流时，MOSFET SLLIMM-nano(显示线性特性)的正向压降低于IGBT模块典型的类似于二极管的正向压降，如图4所示。 从这里不难看出，在电流分别低于0.9A和0.6A(平衡点)时，超接MOSFET和UltraFAST MOSFET的静态特性均优于PowerMESH IGBT。

另一方面，硬切换转换器在切换导通和关断过程中会发生功率损耗现象，因此，切换损耗也必须考虑在内。切换损耗的主要诱因是续流二极管的反向恢复电荷在导通过程中导致切换电流升高。虽然相较以前的技术，两款MOSFET切换组件新优化的体硅二极管可以大幅降低能隙，但IGBT还是能够利用共同封装的超快速二极管降低导通耗能，如图5所示。


最后为进一步缩小MOSFET SLLIMM-nano与IGBT SLLIMM-nano模块之切换损耗的差距，还要考虑关断耗能所示因为关断过程更快，UltraFAST MOSFET和超接面MOSFET的关断耗能明显低于PowerMESH IGBT。

高低负载情境均具优势 MOSFET热性能较优

我们在一个马达应用中测试采用PowerMESH IGBT、UltraFAST MOSFET和超接面MOSFET三款SLLIMM-nano智能功率模块。测试条件：在静止空气中，Vbus=320V, fsw=16kHz, fsine=135kHz, Tamb=25℃，使用一个内件向量控制算法(FOC)的PWM调变器。

在测试过程中，输入DC电流功率(PIn)从20W提高到100W，同时观察与热性能直接相关的总功率损耗所产生的封装温度，因为被测试产品的Rthj-a热阻率全都相同。

如图7所示，在这些条件下，实验结果证明功率损耗比较部分分析的电气特性，突显了在100W时超接面MOSFET SLLIMM-nano优异的热性能；在较低负载时(80W以下)，UltraFAST MOSFET SLLIMM-nano的热性能高于IGBT模块。使用散热器可改善总体热性能，取得更大的输入功率。低切换频率实验结果仍在分析评估中。

本文以意法半导体SLLIMM-nano模块为例，在马达控制应用中，详细分析比较了分别采用PowerMESH IGBT、UltraFAST MOSFET还有超接面MOSFET等三种功率切换技术之模块的电性能和热性能。

动静态表征和实验结果(16kHz)显示，新款超接面MOSFET技术的性能表现为三者之最；而在输入功率达到80W之前，UltraFAST MOSFET性能同样是优于IGBT。