ロボットと産業オートメーション機器は、産業生産プロセスに欠かせないものとなっています。現在、ロボットは徐々に国内市場や商業市場へと発展し、さまざまな形や機能で消費者の前に登場しています。これらのロボットは、モーターや制御システムを駆動するために安定した電力を必要としますが、その中でMOSFET (金属酸化物半導体電界効果トランジスタ) が重要な役割を果たします。本稿では、MOSFETの開発の歴史と、オンセミコンダクターが紹介するパワーMOSFETの機能特性について紹介します。
MOSFETは長い歴史を持ち、継続的に進化してきました
電界効果トランジスタ (FET) の理論は、バイポーラ接合トランジスタ (BJT) が発明される20年前から知られていましたが、適切な半導体材料の不足と技術の未熟さのために開発は遅れていました。当時、ジュリアス・エドガー・リリエンフェルト（米国）は、半導体の両側に2つの金属接点があり、半導体の上部に金属板（アルミニウム）があるトランジスタモデルを提案しました。金属接点間の電流を制御する金属板によって提供される電圧から半導体表面に形成される電界が、FETの本来のコンセプトです。ウィリアム・ショックリーは1952年に接合型電界効果トランジスタ (JFET) を発表しました。
MOSFETは1960年にベル研究所のMohamed M. AtallaとDawon Kahngによって初めて実験に成功しました。その動作原理はShockelyらが発明したBJTとは大きく異なりますが、MOSFETはBJTよりも安価で、フットプリントが小さく、高集積化の利点があるため、LSI回路の設計と製造においてBJTよりもはるかに重要です。MOSFETは現代の電子機器に不可欠なコンポーネントとなり、歴史上最も頻繁に製造されたデバイスです。
MOSFETは、BJTに比べてスイッチング速度が速く (デジタル信号に最適)、サイズが小さく、消費電力が大幅に低く、密度が高い (大規模統合に最適) という特徴があります。さらに、MOSFETは安価で、処理手順が比較的簡単なため、製造歩留まりが高くなります。
近年、MOSFETコンポーネントの開発傾向はスケーリングと小型化に向かっており、MOSFETの有効性は徐々に向上しています。MOSFETは、電子半導体技術の急速な飛躍的成長を促進し、メモリ チップやマイクロプロセッサなどのデジタル信号処理アプリケーションをサポートしてきました。アナログ信号処理用の集積回路は、MOSFETで実現できるものが増えています。応用分野はますます広がっています。
パワーMOSFETは市場でますます重要になってきています
パワーMOSFETは、高電力の電圧と電流を特に扱うMOSFETの一種であり、パワー半導体でもあります。初期の電力アプリケーションではスイッチング デバイスとしてBJTが使用されていましたが、その欠点によりパワーMOSFETが開発されました。継続的な研究と改良により、MOSFETはBJTの代替となり、パワーMOSFETはスイッチング モード電源 (SMPS)、コンピューター周辺機器、自動車、モーター制御アプリケーションで一般的に使用されるようになりました。
パワーMOSFETには、スイッチングが高速で、低電圧でも効率的であるという利点があります。パワーMOSFETとIGBT (絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ) には分離されたゲートウェイがあるため、駆動が容易です。パワーMOSFETの欠点は、ゲインが低いため、ゲート駆動電圧が実際に制御される電圧よりもさらに低くなる場合があることです。
MOSFETとCMOS技術の継続的な進化により、1960年以降、MOSFETが集積回路で使用されるようになり、パワーMOSFETの設計が実現しました。パワーMOSFETは1970年代から販売されており、現在では多種多様な関連製品が市場に出回っています。
パワーMOSFETは、低ゲート駆動電力、高速スイッチング速度、高度な並列化を可能にするため、世界で最も一般的なパワー半導体デバイスです。 幅広い帯域幅、堅牢性、容易な駆動、シンプルなバイアス、使いやすさ、修理のしやすさを特徴とするだけでなく、ほとんどの電源、DC-DCコンバータ、低電圧モーター コントローラー、および多くの他のアプリケーションを含む、幅広い低電圧 (200 V未満) スイッチに適しており、かなりの市場スペースがあります。
アプリケーション要件に基づいて適切なMOSFETを選択する
市場には数多くのMOSFETメーカーが存在し、モデルやタイプは川を下るコイの群れのように数多くあります。その結果、エンジニアはMOSFETの選択に困難を感じることがよくあります。もちろん、MOSFETを選択する前に、まずメーカーが提供するデータシートを確認し、独自のアプリケーション要件に応じて適切な製品を選択する必要があります。
MOSFETを選択する際には、まず電圧レベルを確認し、次にR DS（オン）、定格電流、および消費電力。ただし、MOSFETは動作温度の影響を受けるため、まずデバイスのテスト条件を理解する必要があります。データシート上の値は「最大」または「標準」値であり、デバイスの実際のパフォーマンスに影響します。
また、MOSFETは4段階で選択可能です。まず、Nチャネルを選択するかPチャネルを選択するかを決定します。MOSFETを低電圧サイド スイッチで使用する場合は、デバイスのシャットダウンまたは導通に必要な電圧があるため、NチャネルMOSFETを使用する必要があります。MOSFETがバスと負荷接地に接続されている場合、高電圧側スイッチが使用されます。これは通常、PチャネルMOSFETです。
次に、MOSFETの定格電流を選択します。これは、あらゆるケースで負荷が耐えられる最大電流、つまり連続モードおよびパルス スパイクでシステムによって生成されるピーク電流になるはずなので、この最大電流に耐えられるデバイスを選択するだけです。
次に、熱要件が特定され、設計者は最悪のケースと現実的なシステムの放熱要件を考慮する必要があります。システムが故障しないように、より大きな安全マージンを提供するために、最悪のケースの計算を第一に考慮することが推奨されます。
最後に、スイッチの性能を決定するには、スイッチの性能に影響を与える多くのパラメータがありますが、最も重要なのは、各スイッチで充電され、デバイスの効率に影響を与える静電容量によって生成されるスイッチの損失です。
モーターの動作効率を向上させるパワーMOSFET
近年、ロボットや自動化機器のアプリケーションの急速な発展に伴い、機械部品や機械自体の動きを制御するために多数のモーターが使用されるようになり、モーターを駆動するために大量のパワーMOSFETが必要になりました。オンセミコンダクターは、モーター駆動アプリケーション向けの単極NチャネルパワーMOSFETであるNTBLS1D5N10MCを発表しました。
onsemiのNTBLS1D5N10MCは、TOLLパッケージングをサポートし、100V、1.53mΩ、312Aの電力を出力でき、Rが低い単極NチャネルパワーMOSFETです。 DS（オン）、総ゲート電荷（QG）と静電容量が低く、スイッチングノイズ/電磁干渉（EMI）が低く、鉛フリーで、ハロゲンフリー/臭素系難燃剤（BFR）フリーのデバイスと互換性があり、RoHS規格に準拠し、伝導損失を最小限に抑え、駆動損失を最小限に抑え、ロボット工学および自動化機器、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、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、太陽光発電インバーターなどがあります。
結論
ロボットや自動化機器は、機械を駆動するために多数のモーターを使用しているため、モーターを駆動するための効率的で安定したパワーMOSFETの使用は、機器の動作効率を向上させる鍵となります。オンセミコンダクターは、主要なMOSFETプロバイダーの1つであり、さまざまなMOSFET製品ラインを提供し、モーター駆動アプリケーションに対応するパワーMOSFETを発売しており、ロボットや自動化機器アプリケーションにとって最良の選択肢となります。