探索英飛凌最新120V溝槽功率MOSFET技術：從原理到應用

在電子工程領域，功率MOSFET技術的不斷創(chuàng)新推動著各類電力電子設備向更高效率、更高功率密度和更高系統(tǒng)可靠性邁進。英飛凌作為行業(yè)的領軍者，近期推出了全新的OptiMOS? 6 120 V功率MOSFET技術，為我們帶來了諸多驚喜。今天，我們就來深入探討這一技術及其在三相功率逆變器板上的應用。

文件下載：Infineon Technologies EVAL_TOLL_72VDC_2KW評估板.pdf

一、OptiMOS? 6 120 V功率MOSFET技術亮點

1.1 技術背景與優(yōu)勢

隨著市場對高效、高功率密度和高可靠性電源系統(tǒng)需求的不斷增長，英飛凌憑借其在溝槽MOSFET技術方面的豐富經驗和對客戶反饋的深刻理解，開發(fā)出了OptiMOS? 6 120 V MOSFET。這項新技術具有極低的導通電阻和柵極電荷，實現(xiàn)了業(yè)界最佳的品質因數(shù)（FOM），非常適合高頻開關電源（SMPS）和高功率電機驅動應用。

以TOLL封裝的OptiMOS? 6 120 V為例，其焊接觸面積比傳統(tǒng)封裝大50%，這使得電流密度降低，在高電流和高溫條件下能有效減少電磁干擾（EMI），從而提高系統(tǒng)的可靠性。

1.2 關鍵特性對比

1.2.1 導通電阻（RDS(on)）

與上一代OptiMOS? 3 120 V MOSFET相比，OptiMOS? 6 120 V功率MOSFET技術的導通電阻顯著降低。具體來說，RDS(on)典型值降低了36%，這帶來了多方面的優(yōu)勢。首先，導通損耗大幅降低，提高了系統(tǒng)效率；其次，在高功率應用中，可以減少并聯(lián)MOSFET的數(shù)量，降低物料清單（BOM）成本，同時提高功率密度；此外，還能節(jié)省散熱系統(tǒng)成本，改善熱性能。

1.2.2 柵極電荷特性

在柵極電荷特性方面，OptiMOS? 6同樣表現(xiàn)出色。與OptiMOS? 3相比，Qg典型值降低了28%，Qgd典型值降低了32%。這不僅使得開關損耗降低，提高了系統(tǒng)效率和熱性能，還降低了柵極驅動器的驅動電流要求，使MOSFET能夠更快地導通，進一步降低開關損耗。

1.2.3 技術品質因數(shù)（FOM）

技術品質因數(shù)FOMg（柵極電荷與導通電阻的乘積）和FOMgd（柵極漏極電荷與導通電阻的乘積）是衡量MOSFET性能的重要指標。OptiMOS? 6 120 V TOLL MOSFET在這兩個指標上分別比上一代降低了54%和56%，這意味著更高的效率、更高的功率密度和更高的系統(tǒng)可靠性。

1.2.4 輸出電容品質因數(shù)（FOMoss）

FOMoss定義為Qoss × RDS(on)，OptiMOS? 6與BiC OptiMOS? 3 120 V功率MOSFET相比提高了6%。這表明新技術在高頻和高壓開關應用中具有更好的效率和熱性能。此外，BiC OptiMOS? 6在較高電壓下輸出電容的線性度有助于減少MOSFET關斷時的VDS過沖。

1.2.5 傳輸特性和安全工作區(qū)

通過對比OptiMOS? 6和OptiMOS? 3的傳輸特性，我們發(fā)現(xiàn)OptiMOS? 6在較低的VGS下具有更好的抗熱失控能力，但在電池管理系統(tǒng)等線性工作區(qū)域可能存在熱不穩(wěn)定問題。在安全工作區(qū)方面，OptiMOS? 6在大多數(shù)區(qū)域都有改進，但由于傳輸特性曲線中零溫度系數(shù)（ZTC）點的位置，在電池管理系統(tǒng)中應用時需要謹慎考慮。

二、EVAL_TOLL_72VDC_2kW評估板詳解

2.1 基本信息

EVAL_TOLL_72VDC_2kW評估板采用了OptiMOS? 6 120 V功率MOSFET技術，適用于電池供電的60 - 84 V無刷直流（BLDC）電機驅動應用。該板需要與英飛凌XMC1300驅動卡KIT_XMC1300_DC_V1（或更高版本）配合使用，通過32針公母連接器連接。

2.2 板參數(shù)和技術數(shù)據(jù)

2.3 主要特點

• 單MOSFET設計：逆變器的每個橋臂采用單個MOSFET，簡化了電路設計。
• 標準連接器：使用標準的32針公母連接器與XMC1300驅動卡接口，方便連接和調試。
• 寬輸入電壓范圍：支持60 - 84 V的輸入電壓，適用于多種電池供電系統(tǒng)。
• 高相電流能力：每個相的最大相電流可達100 Apeak，滿足高功率應用需求。
• 保護功能：具備過流保護（OCP）和過溫保護（OTP）功能，提高系統(tǒng)的可靠性。
• 板載電源：提供12 V和5 V的板載電源，分別為柵極驅動器IC和微控制器供電。
• 控制方式支持：硬件支持使用霍爾傳感器或反電動勢（back EMF）的六步換相控制和磁場定向控制（FOC）。

2.4 硬件描述

2.4.1 電源供應

評估板采用英飛凌的ILD8150降壓LED驅動IC將電池電壓（60 - 84 V）降至12 V，為柵極驅動器IC供電。同時，通過線性穩(wěn)壓器（LDO）將12 V進一步降至5 V，為微控制器和其他模擬電路供電。為了確保在高電池電壓下的安全運行，還采用了簡單的電壓調節(jié)電路。

2.4.2 柵極驅動器

使用英飛凌的EiceDRIVER? 1EDN8550B單通道高側和低側柵極驅動器IC來驅動三相逆變器MOSFET。該驅動器具有真正的差分輸入（TDI）電路，提供出色的共模抗擾性，消除了誤觸發(fā)的風險。

2.4.3 保護電路

為了保護三相逆變器的MOSFET免受過高電流的損害，評估板設計了完善的過流保護（OCP）電路。通過測量每個相的分流電阻上的電壓降，并將其與參考電壓進行比較，當檢測到過流時，觸發(fā)保護機制，關閉逆變器。

2.4.4 功率板連接器

功率板通過32針連接器與XMC1300驅動卡連接，詳細的引腳分配確保了信號的準確傳輸和控制。

2.4.5 TOLL MOSFET

評估板在功率逆變器部分采用了英飛凌的IPT017N12NM6 TOLL MOSFET。該MOSFET采用漏極向下的封裝設計，通過增大PCB上漏極和源極的焊盤面積，可以提高導電性。同時，在PCB底部添加散熱器，通過熱絕緣材料（TIM）將熱量傳遞到散熱器，使逆變器能夠輸出更高的功率。

2.4.6 散熱器和熱絕緣材料

為了實現(xiàn)高效散熱，評估板選用了定制的散熱器和具有高導熱性能的熱絕緣材料（TIM）。散熱器安裝在PCB底部，通過螺絲固定，確保良好的熱接觸。

2.5 控制和固件

2.5.1 梯形控制（六步或塊換相）

BLDC電機通常采用梯形控制（也稱為六步或塊換相），通過六個換相間隔來驅動電機。這種控制算法簡單，但會產生一定的轉矩脈動和噪聲。評估板的固件基于英飛凌的BLDC_SCALAR_HALL_XMC13平臺開發(fā)，通過微控制器生成PWM信號來控制MOSFET的開關。

2.5.2 P - I控制

為了調節(jié)電機的速度，評估板采用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了比例 - 積分（P - I）控制。通過比較設定的速度值和實際測量的速度值，計算誤差并進行校正，以確保電機能夠穩(wěn)定運行。

三、實驗結果分析

3.1 測試設置

3.2 柵極驅動電路

在電機驅動應用中，MOSFET的柵極在導通時相當于一個未充電的電容。為了防止MOSFET在最大負載下發(fā)生雪崩和誤觸發(fā)，需要合理選擇外部柵極電阻。實驗中，OptiMOS? 6和OptiMOS? 3的外部柵極電阻進行了相應調整，以確保最佳的開關性能。

3.3 工作波形

通過示波器記錄了OptiMOS? 6和OptiMOS? 3在不同條件下的工作波形，包括柵極 - 源極電壓、漏極 - 源極電壓和相電流。從波形中可以直觀地看出OptiMOS? 6在開關速度和損耗方面的優(yōu)勢。

3.4 功率損失分析

對比OptiMOS? 6和OptiMOS? 3在最大負載下的總功率損失，發(fā)現(xiàn)OptiMOS? 6的功率損失明顯更低。這進一步證明了其在提高系統(tǒng)效率方面的優(yōu)勢。

3.5 功率測量

通過功率分析儀測量了OptiMOS? 6和OptiMOS? 3在不同輸入功率下的輸入和輸出功率。結果顯示，OptiMOS? 6的效率更高，能夠在相同的輸入功率下輸出更多的功率。具體來說，OptiMOS? 6的效率達到了96.98%，而OptiMOS? 3的效率為96.35%。

3.6 熱測量

熱圖像顯示，在相同的輸入功率和測試條件下，OptiMOS? 6的溫度上升更低。這表明OptiMOS? 6具有更好的熱性能，能夠在更高的功率下穩(wěn)定運行。

3.7 原理圖和PCB布局

評估板的原理圖和PCB布局經過精心設計，確保了信號的穩(wěn)定傳輸和良好的散熱性能。PCB采用六層設計，每層均為2 oz銅，板尺寸為172 mm x 129.77 mm，材料為FR4。

3.8 物料清單（BOM）

評估板的完整物料清單可以從英飛凌網站的下載部分獲取。清單中詳細列出了各個元件的型號、參數(shù)和供應商，為工程師進行設計和采購提供了便利。

四、總結與思考

英飛凌的OptiMOS? 6 120 V功率MOSFET技術在導通電阻、柵極電荷、品質因數(shù)等方面都有顯著的提升，為高頻開關電源和高功率電機驅動應用帶來了更高的效率和可靠性。EVAL_TOLL_72VDC_2kW評估板作為這一技術的應用示例，充分展示了其在三相BLDC電機驅動中的優(yōu)勢。

然而，在實際應用中，我們也需要根據(jù)具體的需求和場景來選擇合適的MOSFET和控制策略。例如，OptiMOS? 6在電池管理系統(tǒng)等線性工作區(qū)域可能存在熱不穩(wěn)定問題，需要進行額外的考慮和優(yōu)化。

作為電子工程師，我們應該密切關注行業(yè)的最新技術動態(tài)，不斷學習和實踐，將先進的技術應用到實際項目中，為推動電子行業(yè)的發(fā)展貢獻自己的力量。你在實際項目中是否使用過類似的MOSFET技術？遇到過哪些挑戰(zhàn)和問題？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。