在电动汽车 (EV) 等汽车环境以及机器人和制造设备等工业应用中，无刷直流 (BLDC) 电机越来越多地用于苛刻的热条件下。对于设计人员而言，有效的热管理是确保 BLDC 电机驱动器可靠运行的关键考虑因素。为此，他们需要特别注意功率 MOSFET 和栅极驱动器 IC 的开关频率、效率、工作温度范围和外形尺寸，同时确保它们符合 AEC-Q101、生产零件批准流程等资格(PPAP) 和国际汽车特别工作组 (IATF) 标准16949:2016(如适用)。

　　此外，栅极驱动器应与标准晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 和 CMOS 电压电平兼容，以简化与微控制器 (MCU) 的接口。它们还需要能够保护 MOSFET 免受各种故障条件的影响，并且它们需要具有匹配良好的传播延迟以支持高效的高频操作。

　　为满足这些需求，设计人员可以将双 N 沟道增强型 MOSFET 与高频栅极驱动器 IC 配对，以生成紧凑、高效的解决方案。

　　本文首先概述设计 BLDC 电机驱动器时的热管理注意事项，然后简要总结 AEC-Q101、PPAP 和 IATF 16949:2016 的要求。然后介绍了Diodes, Inc 的高性能双 N 沟道增强型 MOSFET 和匹配栅极驱动器 IC的示例。适用于汽车和工业 BLDC 电机驱动系统。本文最后讨论了 BLDC 驱动电路的印刷电路板布局注意事项，包括电磁干扰 (EMI) 的最小化和热性能的优化。

　　BLDC 和换向

　　BLDC 和有刷电机之间的主要区别在于 BLDC 需要 MCU 控制来实现换向。这需要能够检测转子的旋转位置。可以使用电流检测电阻器或霍尔效应传感器来完成位置检测。将霍尔效应传感器放置在电机内部(相隔 120°)是实现位置感测的一种常用、准确且高效的方法。

　　该方法涉及使用六个功率 MOSFET 的桥式配置来驱动三相 BLDC 电机。霍尔效应传感器产生 MCU 用来确定电机位置的数字信号，然后产生驱动信号以按所需顺序和所需速率切换 MOSFET，从而控制电机运行(图 1)。可控性是使用 BLDC 电机的一个关键优势。

　　图 1：在三相 BLDC 电机中，三个霍尔效应传感器提供控制六个功率 MOSFET 开关所需的位置信息。 (图片来源：Diodes, Inc.)

　　处理传播延迟

　　MCU 产生的控制信号太弱，无法直接驱动功率 MOSFET，因此使用栅极驱动 IC 来放大 MCU 信号。然而，栅极驱动器 IC 的引入也引入了一定量的控制信号传播延迟。此外，半桥栅极驱动器中的两个通道的响应时间略有不同，这会导致传播延迟偏差。在最坏的情况下，高侧开关可能在低侧开关完全关断之前导通，导致两个开关同时导通。如果发生这种情况，将会发生短路，电机驱动器或电机可能会损坏或毁坏。

　　有几种方法可以处理传播延迟问题。一种涉及使用快速 MCU，该 MCU 可以足够快地做出反应以补偿传播延迟。该方法的两个潜在问题是它需要更昂贵的 MCU，并且 MCU 在切换过程中引入了死区，以确保两个开关永远不会同时打开。这个死区时间延迟了整个开关过程。

　　大多数应用中的首选替代方案是使用传播延迟较短的栅极驱动器。高性能栅极驱动器 IC 还包括防止交叉传导的逻辑，以进一步增强系统可靠性(图 2)。

　　图 2：高性能栅极驱动器 IC 除了具有最小的传播延迟外，还包括防止交叉传导的逻辑(左中)。 (图片来源：Diodes, Inc.)

　　保持凉爽

　　功率 MOSFET 的安全和精确驱动对于 BLDC 电机的可靠运行至关重要，保持功率 MOSFET 冷却也是如此。与功率半导体热管理相关的两个重要规格是结壳热阻 (R θJC ) 和结至环境热阻 (R θJA )。两者均以每瓦摄氏度 (°C/W) 表示。 R θJC特定于器件和封装。它是一个固定数量，取决于芯片尺寸、芯片粘接材料和封装热特性等因素。

　　R θJA是一个更广泛的概念：它包括 R θJC加上焊点和散热器温度系数。对于功率 MOSFET，R θJA可以比 R θJC大 10 倍。控制MOSFET 封装(外壳)温度 (T C ) 是一个关键考虑因素(图 3)。这意味着在为功率 MOSFET 开发热管理解决方案时，电路板布局和散热等因素非常重要。 MOSFET 中产生的几乎所有热量都将通过印刷电路板上的铜焊盘/散热器散发出去。

　　图 3：R θJA是热耗散的关键指标，可以比 R θJC大 10 倍。 (图片来源：Diodes, Inc.)

　　汽车标准

　　要用于汽车应用，这些设备还必须满足一项或多项行业标准，包括 AEC-Q100、AEC-Q101、PPAP 和 IATF 16949:2016。 AEC-Q100 和 AEC-Q101 是汽车应用中使用的半导体设备的可靠性标准。 PAPP 是一个文档和跟踪标准，而 IATF 16949:2016 是一个基于 ISO 9001 的质量标准。进一步来说：

　　AEC-Q100是针对封装 IC 的基于故障机制的压力测试，包括四个环境工作温度范围或等级：

　　0 级：-40°C 至 +150°C

　　1 级：-40°C 至 +125°C

　　2 级：-40°C 至 +105°C

　　3 级：-40°C 至 +85°C

　　AEC-Q101定义了功率 MOSFET 等分立器件的最低压力测试驱动要求和条件，并规定了 -40°C 至 +125°C 的工作温度。

　　PPAP是针对新组件或修订组件的 18 步批准流程。它旨在确保组件始终满足特定要求。 PPAP有五个标准级别的提交，要求由供应商和客户协商确定。

　　IATF 16949:2016是一个基于 ISO 9001 和汽车行业客户特定要求的汽车质量体系。该标准要求由第 3方审核员进行认证。

　　双功率 MOSFET

　　为实现高效的 BLDC 电机驱动，设计人员可以使用双 N 沟道增强型 FET，例如用于工业应用的 Diodes Inc. 的DMTH6010LPD-13，以及用于汽车应用的符合 AEC-Q101 标准的DMTH6010LPDQ-13 。这两个部件均由 PPAP 支持，并在经过 IATF 16949 认证的设施中制造。这些 MOSFET 具有 2615 皮法 (pF) 的低输入电容 (C iss ) 以支持快速开关速度，以及低导通电阻 (R DS(on)) 为 11 毫欧 (mΩ) 以实现高转换效率，使其适用于高频、高效应用。这些器件具有 10 伏栅极驱动器，额定工作温度为 +175°C，采用 5 毫米 (mm) x 6 毫米 PowerDI5060-8 封装，带有用于高散热的大漏极垫(图 4) .热规格包括：

　　稳态 R θJA为 53°C/W，器件安装在带有 2 盎司 (oz) 铜的 FR-4 印刷电路板上，并通过散热孔通向包含 1 英寸 (in.) 方形铜板的底层

　　R θJC为 4°C/W

　　额定温度为 +175°C

　　图 4：DMTH6010LPD-13 和 DMTH6010LPDQ-13 使用其 PowerDI5060-8 封装的大漏极垫来支持高散热。 (图片来源：Diodes, Inc.)

　　双 MOSFET 栅极驱动器

　　为了驱动双功率 MOSFET，设计人员可以使用两个半桥栅极驱动器中的任何一个：用于工业应用的DGD05473FN-7，或用于汽车系统的符合 AEC-Q100 标准的DGD05473FNQ-7。这些驱动程序还得到 PPAP 的支持，并在 IATF 16949 认证的设施中制造。输入与 TTL 和 CMOS 电平(低至 3.3 伏)兼容，以简化与 MCU 的连接，浮动高侧驱动器的额定电压为 50 伏。保护功能包括 UVLO 和交叉传导预防逻辑(再次参见图 2)。集成的自举二极管有助于最大限度地减少 PC 板空间。其他功能包括：

　　20 纳秒 (ns) 传播延迟

　　5 ns 最大延迟匹配

　　1.5 安培 (A) 拉电流和 2.5 A 灌电流最大驱动电流

　　低于 1 微安 (µA) 待机电流

　　AEC-Q100 1 级工作温度范围为 -40°C 至 +125°C

　　热和 EMI 考虑

　　使用上面详述的 MOSFET 和驱动器 IC 的电路板布局最佳实践应该将紧凑的设计与 MOSFET 的最大实际铜面积相结合，以确保最佳的散热效果。紧凑的设计将环路面积降至最低，而较短的接线长度将最大限度地降低 EMI 并减少电磁兼容性 (EMC) 问题。

　　为进一步提高 EMC 和热性能，印刷电路板中应包含坚固的内部接地层和底部的附加电源层。此外，信号线应使用单独的内层。

　　MOSFET 封装对热性能有重大影响。查看三个选项，PowerDI5060-8、3 mm x 3 mm PowerDI3333-8 和 2 mm x 2 mm DFN2020-6，发现具有最大漏极焊盘的 PowerDI5060 支持最高功耗，达到 2.12 瓦(图 5)。

　　图 5：与两个较小的封装相比，PowerDI5060(蓝线)消耗的功率更多。 (图片来源：Diodes, Inc.)

　　结论

　　采用热效率封装的双功率 MOSFET 可与匹配的栅极驱动 IC 结合，为汽车和工业应用生产高性能和紧凑型 BLDC 电机驱动器。这些解决方案可以分别满足 AEC、PPAP 和 IATF 的可靠性、文档和质量标准。使用 PC 板布局最佳实践，这些设备可用于帮助设计人员为其 BLDC 电机驱动实现实现最佳热性能和 EMC 性能。