パワーMOSFETは最も一般的なパワー半導体です。主にゲート ドライブに必要な電力が少なく、スイッチング速度が速いため、モーターを駆動するときに最も一般的に使用されるパワー半導体となっています。この記事では、オンセミコンダクター社が発表したパワーMOSFETの技術的特徴とNTBLS1D5N10MCパワーMOSFETの製品特徴を紹介します。
MOSFETとIGBTにはそれぞれ利点がある
パワー半導体は電子機器における電力変換や回路制御の中核を担っています。主に電子機器内の電圧や周波数を変更したり、DCとACの変換などの機能を実行するために使用されます。電流、電圧、位相の変換を備えた回路システムであれば、電力コンポーネントが使用されます。基本的に、パワー半導体はパワーディスクリートデバイスとパワー集積回路の2つのカテゴリに大別されます。そのうち、パワーディスクリートデバイス製品には、MOSFET、ダイオード、IGBTなどがあり、その中でもMOSFETとIGBTが最も重要です。
低電流領域では、MOSFETのターンオン電圧はIGBTよりも低く、高電流領域では、IGBTのターンオン電圧はMOSFETよりも低くなります。特に高温条件下では、この現象は顕著になります。IGBTは、ユニポーラMOSFETよりもスイッチング損失が大きいため、通常は20kHz未満のスイッチング周波数で使用されます。MOSFETの利点は、高周波分野に適用できることです。MOSFETの動作周波数は数百KHzから数十MHzの無線周波数製品に適用できますが、IGBTでは100KHzに達するのがほぼ最適な動作限界です。
MOSFETには、入力インピーダンスが高く、駆動電力が低く、スイッチング速度が速く、二次破壊がなく、安全な動作領域が広く、熱安定性が優れているなどの利点があります。一般的に、MOSFETはポータブル充電式バッテリーやモバイル デバイスに適しています。IGBTは、モーター、自動車用動力バッテリーなどの高電圧・高出力機器に適しています。
NチャネルパワーMOSFETはオン抵抗が低く、サイズが小さい
MOSFETとCMOS技術の継続的な進化により、1960年以降、集積回路は急速に発展してきました。これが、パワーMOSFETの設計が実現できる理由でもあります。パワーMOSFETの利点は、スイッチング速度が速く、低電圧で効率が高く、並列技術の実装が容易で、帯域幅が広く、堅牢で、バイアスが簡単で、使いやすく、メンテナンスが容易なことです。パワーMOSFETは、ほとんどの電源、DC-DCコンバータ、低電圧モーター コントローラなど、さまざまな分野や、その他多くのアプリケーションで使用できます。
パワーMOSFETは、導電チャネルに応じてPチャネルとNチャネルに分けられます。オン抵抗（R DS(オン)) とNチャネルMOSFETの小型化により、製品アプリケーションにおけるNチャネルMOSFETの選択性はPチャネルを上回ります。同期整流器アプリケーションでは、ほとんどの場合Nチャネル技術が使用されます。これは主にR DS(オン) Nチャネルのゲート電圧はPチャネルのゲート電圧よりも小さく、ゲートに正の電圧を印加することでオンにすることができます。
パワーMOSFETは主にキャリア デバイスです。NチャネルMOSFETでは伝導時に電子が流れ、PチャネルMOSFETでは伝導時にホールと呼ばれる正電荷を使用します。電子の流動性は正孔の3倍です。直接的な相関関係はないが、R DS(オン)同等の値を得るために、Pチャネルのダイ サイズはNチャネルの約3倍であるため、Nチャネルのダイ サイズは小さくなります。
モーター駆動用MOSFETドライバ
モーター駆動システムでは、モーターの駆動に必要な高電流を供給するために、ゲート ドライバーまたは「プリドライバー」ICがNチャネル パワーMOSFETとともに使用されることがよくあります。場合によっては、ドライバIC、MOSFET、および関連する受動部品を選択する際に考慮すべき設計要素が多数あります。
DCモーター (ブラシモーターまたは三相ブラシレスモーター) 用のドライバーを設計する場合は、モーターの特性からドライバーの設計の詳細を決定する必要があります。2つの主な要因は、モーターの動作電圧と電流要件です。一般的に、モーターには定格電圧と定格電流が指定されていますが、実際の動作ではこれらの値が定格値と異なる場合があります。モーターの実際の速度は印加電圧によって決まり、モーターに必要な電流は印加トルクによって決まります。したがって、ドライバの設計は必ずしもモーターの仕様を完全に満たす必要はありません。
選択したパワーMOSFETの定格値が、モーターに必要な電源電圧および最大電流と少なくとも等しくなるようにし、最高のパフォーマンスを確保するために一定のマージンを残すことがさらに望ましいです。一般的に、ドレイン・ソース間電圧定格（V DS）のMOSFETの電圧は、電源電圧より少なくとも20％高くする必要があります。場合によっては、特に大電流、大トルク ステップ サイズ、および電源制御が不十分なシステムでは、モーターに必要なピーク電流を供給できるほどMOSFETの定格電流が高くなければなりません。
さらに、MOSFETの選択においては放熱も重視されます。MOSFETの消費電力はドレイン・ソース間抵抗Rで熱を発生する。 DS(オン)。周囲温度やMOSFETの放熱などの熱条件によって消費できる電力が決まり、最大許容消費電力は最終的にRに基づいて決定されます。 DS(オン) MOSFETの値。さらに、総ゲート電荷（Qグ）を考慮する必要があります。ゲート電荷は、MOSFETのオン/オフに必要な電荷量を測定するために使用されます。Qが低いMOSFETグ 運転しやすくなります。より高いQを持つMOSFETと比較してグゲート駆動電流が低いため、より高速にスイッチングできます。
優れたパワーMOSFET特性がアプリケーションの要件を満たす
onsemiはパワーMOSFETの分野で業界をリードしており、電力変換およびスイッチング回路用のNチャネル、Pチャネル、相補型MOSFETなど、さまざまなアプリケーション要件に対応するさまざまな仕様のパワーMOSFETを導入しています。
ここで紹介するNTBLS1D5N10MCは、シングルNチャネルパワーMOSFETで、TOLLパッケージをサポートし、100V、1.53mΩ、298Aの電力を出力でき、Rが低い。 DS(オン)、低い総ゲート電荷（Qグ) と静電容量を備え、スイッチングノイズ/電磁干渉 (EMI) が低いという特長があります。鉛フリー、ハロゲンフリー/臭素系難燃剤 (BFR) フリー、RoHS準拠のデバイスであり、伝導損失と駆動損失を最小限に抑えることができます。電動工具、バッテリー駆動の掃除機、UAV/ドローン、マテリアルハンドリング、バッテリー管理システム (BMS)/ストレージ、ホームオートメーションなどに適用できます。一般的な最終製品には、モーター制御、産業用電源、ソーラーインバータなどがあります。
結論
モーター駆動アプリケーションは多岐にわたりますが、その中でもパワーMOSFETは重要な役割を果たします。onsemiはさまざまなパワーMOSFET製品ラインを備えています。その中で、NTBLS1D5N10MCユニポーラおよびNチャネル パワーMOSFETは、関連アプリケーションの厳しい要件を満たすことができ、モーター駆動制御に最適な選択肢の1つです。