簡要介紹為什么功率MOSFET的特性使其成為48伏特起動發電機等汽車應用的理想選擇

在討論了48伏特架構（“48伏特輕度混合動力系統的出現”）并描述了一些主要應用（“48伏特起動發電機”）后，我們需要深入研究這些新系統的電氣要求。在這篇博客中，我會簡要介紹功率MOSFET，并討論它們在汽車應用中的角色，例如48伏特啟動發電機。

汽車半導體的興起

在當今的技術應用中，半導體已經成為一個基本要素，這是因為它們能夠在特定條件下傳導和隔離電流。在某種意義上，它們充當的是系統的“閥門”，用于控制電子電路中的電流。當然，系統需要不同類型的設備，以實現所需的結果 - 例如整流、放大或開關。

功率半導體廣泛用于許多汽車應用，包括48伏特起動發電機。這些器件的主要優點是能夠承受高電壓和大電流而不會受損。在過去的十年中，汽車應用的功率需求顯著增加，這對高效功率半導體提出了更高的要求。

什么是功率MOSFET？

功率半導體的類型非常豐富 - 功率二極管、晶閘管、雙極結晶體管（BJT）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。具體的器件選擇將取決于應用程序的要求。

對于用作電壓控制開關的MOSFET器件，與其他功率半導體相比，它們需要更快的開關能力。對于需要高速操作（例如電機控制）的應用來說，這一特性特別有用。圖1展示了基本MOSFET器件的示意圖。

圖1：MOSFET的示意圖

MOSFET通過柵極端子控制。柵極端子的作用類似于電流流過的漏極和源極端子之間的連接橋。根據是否向端子施加電壓，可打開和關閉該連接橋。漏極和源極之間的電流流量與施加的電壓量成正比。

晶體管的制造方式以及用于制作通道的材料會影響柵極的工作方式。在N通道半導體中，大多數電荷載體是電子，而在P通道半導體中，大多數電荷載體是空穴。換句話說，N通道器件需要正柵極電壓，而P通道需要負柵極電壓才能工作。

功率MOSFET在48伏特起動發電機中的角色

大略了解MOSFET之后，我們來看看這些器件如何在48伏特起動發電機中發揮作用。起動發電機由多相電機組成，需要通過復雜的控制電路進行管理。MOSFET在48V系統中非常重要，憑借較低的傳導損耗和更快的開關速度，被證明優于傳統的BJT開關。圖2顯示了一個典型的三相電機控制電路，該電路采用H橋配置的6個MOSFET開關。相位調整的原因是為了提高操作效率，降低成本。

圖2：使用N通道MOSFET的三相無刷直流電機控制

在電機控制電路中，只要開關沒有串聯連接，任何時候只能有一個來自電源側的開關和一個來自接地端的開關工作。例如，關閉S1和S6可提供平滑連接，而關閉S1和S4將導致短路。此外，需要謹慎管理開關相位之間的轉換，以避免錯誤連接。這是通過較短的死區時間（通常為納秒）實現的，在這個時間段所有開關打開。

圖2還顯示了一個相位的正確電流，其中電流通過S1，流向電機并最終通過S6接地。然后，電流通過S2和S4以及S3和S5轉移到后續相位，然后返回第一相位。 ??

通常，48伏特啟動發電機的電機控制拓撲結構大于3相（例如6相），以滿足更高功率和更高效率的需求。流向多相電機的電流通常在200A到520A的范圍內。該電流極強，因此必須使用具有極低RDS(on)和高ID?電流能力的MOSFET。

在圖2中，選擇使用N通道開關，這是因為n型具有較低的RDS(on)。這樣可以實現更低的功耗和功率損失，其中功率損失等于電阻乘以電流的平方（P損耗=I2*R）。首選MOSFET器件必須能夠處理每件250 A - 300 A的ID MAX，且DS(on)不高于1 m?。

另一方面，MOSFET器件還必須能夠處理48伏特系統的電壓尖峰。電壓尖峰是指電源電壓中短暫且快速的電能爆發（瞬態）。如果無法應對這種特殊情況，開關很容易損壞。因此，電氣工程師應考慮能夠承受至少1.5倍系統電壓的器件。在48伏特的系統中，這意味著MOSFET需要在漏極和源極之間承受80 V乃至100 V（VDS）?[3]的電壓。

功率MOSFET - 48V系統中的重要組件

在高功率應用中，MOSFET開關的散熱能力非常重要。因此，特別需要可靠的MOSFET封裝，以滿足嚴格的散熱要求和板級可靠性。對于48伏特起動發電機，其功率等級可達25 kW。由于沒有相應的封裝解決方案，迫使制造商使用裸片（無封裝）解決方案。

盡管分立封裝解決方案并不能解決啟動發電機的問題，許多其他48伏特應用（48/12 V DC/DC轉換器、電動增壓器、電池管理系統等）都可以從這一解決方案中受益。Nexperia的分立封裝MOSFET提供不同的形狀和尺寸，是車輛電氣化的重要組成部分。

審核編輯：郭婷