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蛤板濮
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1 世界上有史以来用于电机控制的最佳功率 MOSFET! FTF-SMI-N2322 谢宇功率 MOS 高级应用工程师 2016 年 9 月 28 日

2 电机控制介绍内容新型多样的电机控制应用电机控制对功率 mosfet 的规格要求恩智浦对功率 mosfet 的优化恩智浦电机控制整体方案介绍 1 1

3 新型多样的电机控制应用 2

4 如同行星排列一样电机控制设计中, 技术成本功能和应用是每一个设计者考虑的主要因素功能日益强大的电机更高性能的电池更智能微控制器和软件更高效可靠的功率器件 3

5 手持工具系列 4

6 电驱系列 5

7 车机控制恒温控制系统 (HVAC) 电动车窗电动天窗后备箱自动控制电动后视镜雨刮系统燃油泵电池管理系统电动停车制动系统水泵电动座椅控制系统油泵电动助力转向系统 (EPS) 启停系统发动机管理系统一体式起动发电机系统变速器冷却风扇照明系统自动制动系统 (ABS) 6

8 电机控制对功率 MOSFET 的规格要求 7

9 电机控制应用对 MOSFET 规格要求 (1) 1. 击穿电压,VDS 增加电池电压达到更高功率目前的 MOSFET 主流电压 :30V 和 40V; 一些新的设计采用 60V 器件叉车轻型电动车等类似设备的所需电压 :100V 2. 最大电流,I D 额定值 I D 最大值在故障条件下至关重要, 比如堵转时候 MOSFET 必须正常工作至 OCP, 通常 1-2ms 至数秒 V DS I D(max) 3. 热性能低热阻 R th 在较高温度下具有更好的性能较高的 T j(max) 可以导致比较好的 I D(max) P tot(max) 重复雪崩和 SOA 性能低 R DSon 有利于温度控制, 但是对系统效率提升不大 T j(max) R th R DSon 8

10 电机控制应用对 MOSFET 规格要求 (2) 4. 雪崩能量在电机控制应用中,MOSFET 通常会进入雪崩状态 E DS(AL)S 首选高雪崩额定值 E DS(AL)S 不同制造商在数据手册中提供的雪崩能量值经常在不同 I D 下测试得到, 因而难以比较 5. 尖峰电压这一问题通常会带来 EMI 认证问题优化反向恢复特性有利于 EMI;Qr 应尽可能小, 且反向恢复阻尼系数应对称 (S- 因子 =1) EMI 9

11 电机控制应用对 MOSFET 规格要求 (3) 6. 栅极驱动电压根据应用不同, 选择逻辑电平 ( 电池电压崩溃 ) 或者标准电平 ( 错误开启抗扰度 ) 7. 安全工作区域 (SOA) 在故障条件下非常重要, 其中电池电压崩溃意味着驱动栅极不是平稳, 容易进入线性模式有时 MOSFET 直接通过 MCU 进行驱动, 驱动电流不足容易进入线性模式 V th SOA 8. 尺寸倾向于更高的功率密度取决于 R DSon 和热性能的需求 mm 2 10

12 NEXTPOWER CORDLESS 恩智浦 MOSFET 针对电机控制进行的优化 11

13 NextPower Cordless 产品组合 Professional DIY TO220 R DS (on) (V GS =10V) I D [ 最大值 ] TO220 R DS(ON) (V GS =10V) I D [ 最大值 ] 40V SL PSMN1R5-40PS 1.6mΩ 150A LL PSMN1R9-40PL 1.6mΩ 150A 40V SL PSMN2R8-40PS 2.8mΩ 100A LL PSMN2R1-40PL 2.2mΩ 150A 60V SL PSMN2R6-60PS 2.6mΩ 150A LL PSMN2R5-60PL PSMN3R3-60PL 2.6mΩ 3.4mΩ 150A 60V SL PSMN3R9-60PS 3.9mΩ 130A LL PSMN4R2-60PL 3.9mΩ 130A LFPAK56 R DS (on) (V GS =10V) I D [ 最大值 ] LFPAK56 R DS (on) (V GS =10V) I D [ 最大值 ] 30V LL PSMN0R9-30YLD PSMN1R0-30YLD PSMN1R2-30YLD PSMN1R4-30YLD PSMN2R4-30YLD 0.87mΩ 1.0mΩ 1.2mΩ 1.4mΩ 2.4mΩ 300A 300A 100A 100A 100A 30V LL PSMN3R0-30YLD PSMN4R0-30YLD PSMN6R0-30YLD PSMN7R5-30YLD 3.1mΩ 4.1mΩ 6.0mΩ 7.5mΩ 100A 95A 66A 51A 40V LL PSMN1R0-40YLD PSMN1R4-40YLD 1.1mΩ 1.4mΩ 300A 240A 40V LL PSMN1R6-40YLC PSMN1R8-40YLC 1.5mΩ 1.8mΩ 100A NextPowerS3 类型以粗体文字表示 12

14 TO220 产品的最大电流 150A VDS E DS(AL)S I D(max) EMI R th V th T j(max) R DSon SOA mm 2 增加焊线直径 3 x 350µm >>> 3 x 500µm 铜线截面积增加约两倍盲点并联拼接焊接增加导线与芯片表面的接触面积提高芯片表面上的电流传输性能竞争型器件并联拼接焊接 13 NextPower Cordless 设备

15 LFPAK 最优秀的功率 MOSFET 封装 VDS E DS(AL)S I D(max) EMI R th V th T j(max) R DSon SOA mm 2 Power-S08 兼容 (5mm x 6mm) QFN/DFN3333 兼容 (3.3mm x 3.3mm) 无胶水, 无导线,175 o C 尺寸越小越优秀 14

16 LFPAK 铜夹片工艺的优点 VDS E DS(AL)S I D(max) EMI R th V th T j(max) R DSon SOA mm 2 铜夹片工艺区别于其他工艺的优点铝线焊接铜夹片 + 栅极金线焊接铜夹片 + 栅极铜线焊接铝带焊接铜夹片工艺可实现 : Tj( 最大值 )= 175 o C 低 R package 低 Rds(on) 低 Rth(j-pcb) 低寄生电感提高散热能力降低结点温度提高铜夹片与晶元的接触面积高可靠性符合汽车 AEC-Q101 标准铜夹片工艺恩智浦 LFPAK 封装铜线焊接铜夹片 + 栅极铜线焊接 15

17 LFPAK 优异的抗机械应力和热应力性能 VDS E DS(AL)S I D(max) EMI R th V th T j(max) R DSon SOA mm 2 传统的 QFN/DFN QFN/DFN 全塑封引脚阻碍引脚任何形变潮气或者污染离子可以通过塑胶体的裂缝入侵导致器件故障源极和栅极引脚焊点失效风险 PCB 受热应力和 / 或机械应力作用产生形变 LFPAK 封装金属引脚形变吸收机械应力 LFPAK 引脚可吸收因 PCB 膨胀和收缩产生的机械应力和热应力 PCB 受热应力或机械应力作用产生拉伸或者收缩 16

18 LFPAK AOI 焊接检测容易进行漏极片焊接检测容易对引脚进行焊接检测 17

19 LFPAK 焊接性能翼式引脚类封装可以实现引线与焊点之间较大的接触面积 LFPAK 焊接接触区域受限于外壳 PQFN 引脚四周都可以实现焊接引脚四周只有引脚前端有很小的焊接点结果 : 在热循环 / 机械应力应用中,QFN 类封装更易受出现虚焊假焊的问题 18

20 LFPAK 100% 与主流 PowerPak 兼容友商 PowerPak 器件适用于恩智浦的通用的 footprint (5x6 和 3x3) 确认 LFPAK 适用于所有友商推荐的 footprint 经过第三方机构验证 ( 提供报告 ) 19

21 LFPAK 最大电流 VDS E DS(AL)S I D(max) EMI R th V th T j(max) R DSon SOA mm 2 NXP 在 2007 年发布的 LFPAK 封装中最大电流为 100A, 当时最低 Rds(on) 为 3mohm 实际上, 规格书中标示的封装限值是个测试数据最新最低阻抗 PSMN0R7-25YLD 的 R DS(on) 为 0.7mΩ NXP 计划重新测试 LFPAK 最大电流数据, 将最大电流值增加至 300A 20

22 LFPAK 最大电流 21

23 PSMN1R0-30YLD 电流额定值 22

24 LFPAK 最大电流 $2m 200A 23 23

25 LFPAK 最大电流 25 C NXP NXP ON Semi AOS IR Infineon PSMN0R9-30YLD PSMN1R0-30YLD NTMFS4931N AON6500 IRFH8303PbF BSC011N03LS Tj [max] ( C) Tmb ( C) Delta T ( C) Rdson [max] VGS=10V 25 C (mω) Rdson Tjmax Correction Factor Rdson [max] VGS=10V Tjmax (mω) Rth (j-mb ) [max] (K/W) Calculated Id [max] 25 C (A) Datasheet Id [max] 25 C (A) (package limited) (package limited) (package limited) (source bonding (package limited) limited) Avalanche Current, I AS [max] 25 C (A) 190 (100% tested) 190 (100% tested) Not quoted Not quoted Not quoted 50 Safe Operating Current, VDS=20V, 10ms (A) (theoretical, no Spirito) 4 (theoretical, no Spirito) 恩智浦最大电流升至 300A 雪崩电流升至 190A, 经过 100% 生产测试就所有参数而言, 恩智浦为同类最佳 24

26 LFPAK 规划合并源极引脚 VDS E DS(AL)S I D(max) EMI R th V th T j(max) R DSon SOA mm 2 封装电阻更低 0.07mΩ (-30%) 电流更大散热性能更好与 Power-SO8 兼容 PCB footprint 保持不变 25

27 TOTAL SOLUTION 推荐 26

28 方案销售 + + = + + = 27

29 电机控制 28

30 BLDC 电机控制系统概览 Power Mosfets: Motor drive Ballast Transistor TVS diode M 3 Angular sensor Vbat SBC μcu Gate Driver ESD Diode Reverse Battery Protection 29

31 无人机 UAV 30

32 功率等级电机类型电机控制三相直流无刷 (BLDC) 电机通过 6 或 9 个 Mosfet 实现控制优势高可控性低损耗更长的使用寿命噪声低控制 6 至 9 个 MOSFET 直流有刷电机通过 1 2 或 4 个 mosfet 实现控制优势低成本机遇继电器替代产品控制 1 至 4 个 MOSFET 高功率解决方案 :BLDC 低功耗解决方案 :BLDC 或直流有刷电机应用重点 : 动力系统和车身控制 EPS 刹车 HVAC 冷却风扇水泵变速器应用重点 : 车身控制电动后视镜 ( 有刷 ) 车窗升降器 (BLDC) 座椅调节 ( 有刷 ) 天窗控制 (BLDC) 雨刷 ( 有刷 ) 31

33 工具与信息 32

34 恩智浦官网 NextPower Cordless 专题 nxp.com/nextpower-cordless 33

35 恩智浦官网 POWER MOSFET 完整的参数搜索数据手册应用指南器件模型丝印和封装推荐样品快速学习视频 34

36 参考设计 Freedom 电源管理板支持 10 至 15 个不同的 µc 首款使用 FRDM-KEAZ128 + DEVKIT- MCSHIELD 电机控制参考设计 35

37 手册应用信息和封装尺 36

38 应用手册 37

39 电机控制关键要点新型多样的电机控制应用电机控制对功率 mosfet 的规格要求恩智浦对功率 mosfet 的优化恩智浦电机控制整体方案介绍 38

41 版权声明恩智浦恩智浦徽标恩智浦智慧生活, 安全连结 CoolFlux EMBRACE GREENCHIP HITAG I2C BUS ICODE JCOP LIFE VIBES MIFARE MIFARE Classic MIFARE DESFire MIFARE Plus MIFARE FleX MANTIS MIFARE ULTRALIGHT MIFARE4MOBILE MIGLO NTAG ROADLINK SMARTLX SMARTMX STARPLUG TOPFET TrenchMOS UCODE 飞思卡尔飞思卡尔徽标 AltiVec C 5 CodeTEST CodeWarrior ColdFire ColdFire+ C Ware 高能效解决方案徽标 Kinetis Layerscape MagniV mobilegt PEG PowerQUICC Processor Expert QorIQ QorIQ Qonverge Ready Play SafeAssure SafeAssure 徽标 StarCore Symphony VortiQa Vybrid Airfast BeeKit BeeStack CoreNet Flexis MXC Platform in a Package QUICC Engine SMARTMOS Tower TurboLink 和 UMEMS 是 NXP B.V. 的商标所有其他产品或服务名称均为其各自所有者的财产 ARM AMBA ARM Powered Artisan Cortex Jazelle Keil SecurCore Thumb TrustZone 和 μvision 是 ARM Limited( 或其子公司 ) 在欧盟和 / 或其他地区的注册商标 ARM7 ARM9 ARM11 big.little CoreLink CoreSight DesignStart Mali mbed NEON POP Sensinode Socrates ULINK 和 Versatile 是 ARM Limited( 或其子公司 ) 在欧盟和 / 或其他地区的商标保留所有权利 Oracle 和 Java 是 Oracle 和 / 或其关联公司的注册商标 Power Architecture 和 Power.org 文字标记 Power 和 Power.org 徽标及相关标记是 Power.org 的授权商标和服务标记 NXP B.V. 40

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