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電機(jī)驅(qū)動器在實際使用時的輸出電流

lotusp ? 來源:lotusp ? 作者:lotusp ? 2023-02-15 16:12 ? 次閱讀

在上一篇文章中,談到了與電機(jī)驅(qū)動器IC輸出電流有關(guān)的絕對最大額定值和推薦工作條件。在本文中,一起來了解要想確保電機(jī)驅(qū)動器IC的壽命并安全地使用,不僅僅需要考慮電機(jī)驅(qū)動器IC輸出電流的額定值,還需要考慮到電機(jī)驅(qū)動器IC的“降額”。

電機(jī)驅(qū)動器的輸出電流規(guī)格值

下表與上一篇“電機(jī)驅(qū)動器的絕對最大額定值”中給出的表相同。該電機(jī)驅(qū)動器IC為H橋結(jié)構(gòu)的功率MOSFET內(nèi)置型IC。在這些條件中,雖然輸出電流的最大額定值為3A,但是將推薦的2.4A作為最大輸出電流,在該條件下只要使用溫度不超過Tjmax=150℃就沒問題,這一點應(yīng)該是可以理解的。

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工作溫度高會縮短使用壽命

實際上,只要在遵守推薦工作條件的前提下使用,基本上沒有問題,但是晶體管和IC等半導(dǎo)體元器件的可靠性(工作壽命)會因工作條件而有所不同。MTBF和FIT是表示可靠性的指標(biāo),在推算這些指數(shù)時,溫度是決定推算所用的速率常數(shù)的主要因素之一。簡而言之,溫度越高,速度越快,劣化越早,壽命越短,即可靠性降低。

關(guān)于部件和材料的壽命,有一個經(jīng)驗法則叫做“10℃加倍法則(10℃減半法則)”。根據(jù)該法則,當(dāng)溫度升高(降低)10℃時,壽命將減半(翻倍),這是基于可以計算可靠性相關(guān)的速率常數(shù)的阿倫尼烏斯定律得出的結(jié)論。對于需要對壽命進(jìn)行充分考慮的鋁電解電容器來說,當(dāng)其壽命標(biāo)為“105℃/2000小時”時,相差10℃壽命會減半(加倍)的情況是的確如此的。因此半導(dǎo)體的使用壽命比電容器長得多,可能不太容易理解,但是基本上是同一個道理。除了溫度以外,與速率常數(shù)有關(guān)的因素還有濕度和化學(xué)反應(yīng)。拋開倍率不談,可以認(rèn)為只要條件越嚴(yán)苛,壽命就會越短。

需要通過降額來確保可靠性和安全性

“降額”是指相對于額定值留有一定的余量。降額不僅適用于溫度,還適用于耐壓等。在上面的示例中,雖然驅(qū)動器可以連續(xù)流過2.4A的電流,但是可以采取不在Tj=150℃的極限條件下使用,而是控制在比如電流2A以內(nèi)(經(jīng)過熱計算后)、環(huán)境溫度Ta保持在60℃以下的措施。這不僅關(guān)系到可靠性,還與安全性息息相關(guān)。

特別是對于功率元器件和電機(jī)驅(qū)動器而言,從安全角度出發(fā),輸出段晶體管是否在安全工作區(qū)(SOA:Safety Operation Area,或ASO:Area of Safety Operation)范圍內(nèi)工作是非常重要的因素。

在上面的示例中,是內(nèi)置有四個MOSFET的H橋電機(jī)驅(qū)動器IC,因此不是單獨(dú)考慮晶體管,而是需要作為IC整體來考慮,需要在不超過IC的額定值、封裝容許損耗(PD)、最終不超過Tjmax的條件下留有余量即降額。但在使用控制器型電機(jī)驅(qū)動器IC通過外置的方式組成H橋時,選擇和評估晶體管時必須考慮安全工作區(qū)。

安全工作區(qū)(SOA、ASO)

下圖為MOSFET的安全工作區(qū)特性圖示例。安全工作區(qū)位于藍(lán)色曲線的內(nèi)側(cè)(電壓和電流較小一側(cè)的區(qū)域)。

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安全工作區(qū)簡單來說是在VDS和ID的額定值內(nèi)側(cè),但需要加上容許損耗(熱)和二次擊穿(Second Breakdown)*1的限制。另外,還涉及到MOSFET的導(dǎo)通電阻帶來的限制(當(dāng)VDS低時,根據(jù)歐姆定律,ID不會達(dá)到額定值),不過在此圖中省略了這部分限制(具體請參考這里)。

  • ①:受VDS額定值限制。在該例中為20V。
  • ④:受ID額定值限制。在該例中為2A。
  • ③:雖在VDS額定值和ID額定值的內(nèi)側(cè),但受容許損耗(熱)限制。是發(fā)熱量(VDS×ID×封裝熱阻)+Ta=Tj超過Tjmax時的邊界。
  • ②:受二次擊穿*1限制。如果超過該值,就可能會引發(fā)熱失控,從而導(dǎo)致劣化或損壞。

要想確認(rèn)電機(jī)驅(qū)動器IC是否在安全工作區(qū)范圍內(nèi),就需要測量電機(jī)驅(qū)動器IC實際的電壓和電流。對于電機(jī)驅(qū)動器IC而言,需要注意的是,由于線圈是感性負(fù)載,在電壓和電流之間存在相位差,因此需要在此前提下確認(rèn)電壓(VDS)和電流(ID)。

*1:“二次擊穿”原本是表示熱失控狀態(tài)(當(dāng)雙極晶體管進(jìn)入高電壓大電流工作區(qū)時,出現(xiàn)電流集中現(xiàn)象,產(chǎn)生熱點且阻抗下降,進(jìn)而電流增加的狀態(tài))的術(shù)語,嚴(yán)格來講并不是針對MOSFET的術(shù)語。但是,由于在MOSFET中也會產(chǎn)生熱失控的狀態(tài)(因熱量導(dǎo)致柵極閾值電壓和溝道電阻下降,從而導(dǎo)致電流增加,進(jìn)而溫度上升、電流進(jìn)一步增加的狀態(tài)),在MOSFET領(lǐng)域中,將這種狀態(tài)表述為 “二次擊穿”的情況并不在少數(shù),因此本文使用了“二次擊穿”這一術(shù)語。

審核編輯:湯梓紅

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