电机控制中的MOSFET和IGBT基础知识

电子

电机控制中的MOSFET和IGBT基础知识

当前的发动机越来越倾向于电子控制，相对于通过直接连接到相应电源（无论是直流源还是交流源）的做法来说，这种方式可以提供更好的控制速度、位置以及扭矩，以及更高的效率。要做到这一点，电机控制电路必须很快地开关流向电机线圈的电流，在开关上面需要达到最小的切换时间或导电期间的损失。

要满足这些需求需要使用MOSFET和IGBT。这两种半导体器件都可以用于电机驱动和电源控制;但其中一个会在某些应用场合中表现更突出。这些电可控开关在功能和属性上类似，内部设计甚至都会有部分重叠，但很多方面仍然差异巨大。大多数应用中，这些开关都采用H桥配置（图1），该配置可以控制电流的流动路径，决定是否流向两个或更多个电机线圈。通过这种配置可以完全控制电机的速度和转向。

MOSFET是一种场效应晶体管，取决于尺寸和设计，可以开关几百毫安到几十安培的电流以及几伏到数千伏特的电压。虽然有许多方式来绘制MOSFET管，但最常见的符号如图2。注意有且只有三端连接：源极、漏极和栅极；栅极控制从源极到漏极的电流。较小的MOSFET可以在标准的MOS IC裸芯上直接制造，因此它可以是单芯片集成解决方案的一部分（但功耗必须低，因为受限于芯片尺寸和散热问题）。

图1：在基本的H桥结构中，四个开关以交叉开关对方式来控制电流流向以及因此而定的电机转向，。需要注意的是上部开关会悬空，并不连接到地。

图2：MOSFET的常用示意图之一，带有三端：漏极（D），栅极（G），以及源极（S）。

IGBT是双极型晶体管，也是一种三端子器件，但是发射极和集电极连接在一起充当被控制的电流通路。如图3所示，和MOSFET一样，IGBT有一个栅极来控制该通路。作为双极型器件，在标准的MOS IC工艺基础上来制作IGBT是非常困难的;因此，IGBT一般是分立器件。IGBT同时具备了场效应管（FET）简单栅极驱动，也具备双极型晶体管的高电流/高电压处理能力。

图3：IGBT的常用示意图之一，带有三端：集电极（C），栅极（G），和发射极（E）。

需要注意的是，许多IGBT电路还需要一个反向阻断（反平行）二极管，该二级管不能使用IGBT制造，因此IGBT和二极管组合通常被协同封装并以单模块方式对外供应。单端拓扑结构，如升压PFC电源，不需要这个二极管，仅需使用IGBT。

尽管栅极上需要打开的驱动电流依不同器件会不太相同，但一般为所述器件额定电流的大约10%。如图4所示，满足所需的导通速度驱动该电流（源）快速到达栅极电容，并且在关断周期将这些电流导出（下沉），是开发完整电机驱动电路的最大的两个挑战。此外，为使电路更加安全，通过低电压数字信号，或“悬浮”上位器件的驱动来达到电兼容性，通常该路径必须加入控制器处理器的数字输出和驱动电路之间的电隔离。

图4：该栅极驱动电路使用一个低电平数字信号来控制双极H桥中一对IGBT，用于任一方向上驱动电机（来自于国际整流器AN-990）。