电机驱动器在实际使用时的输出电流

在上一篇文章中,谈到了与电机驱动器IC输出电流有关的绝对最大额定值和推荐工作条件。在本文中,一起来了解要想确保电机驱动器IC的寿命并安全地使用,不仅仅需要考虑电机驱动器IC输出电流的额定值,还需要考虑到电机驱动器IC的“降额”。

电机驱动器的输出电流规格值

下表与上一篇“电机驱动器的绝对最大额定值”中给出的表相同。该电机驱动器IC为H桥结构的功率MOSFET内置型IC。在这些条件中,虽然输出电流的最大额定值为3A,但是将推荐的2.4A作为最大输出电流,在该条件下只要使用温度不超过Tjmax=150℃就没问题,这一点应该是可以理解的。

工作温度高会缩短使用寿命

实际上,只要在遵守推荐工作条件的前提下使用,基本上没有问题,但是晶体管和IC等半导体元器件的可靠性(工作寿命)会因工作条件而有所不同。MTBF和FIT是表示可靠性的指标,在推算这些指数时,温度是决定推算所用的速率常数的主要因素之一。简而言之,温度越高,速度越快,劣化越早,寿命越短,即可靠性降低。

关于部件和材料的寿命,有一个经验法则叫做“10℃加倍法则(10℃减半法则)”。根据该法则,当温度升高(降低)10℃时,寿命将减半(翻倍),这是基于可以计算可靠性相关的速率常数的阿伦尼乌斯定律得出的结论。对于需要对寿命进行充分考虑的铝电解电容器来说,当其寿命标为“105℃/2000小时”时,相差10℃寿命会减半(加倍)的情况是的确如此的。因此半导体的使用寿命比电容器长得多,可能不太容易理解,但是基本上是同一个道理。除了温度以外,与速率常数有关的因素还有湿度和化学反应。抛开倍率不谈,可以认为只要条件越严苛,寿命就会越短。

需要通过降额来确保可靠性和安全性

“降额”是指相对于额定值留有一定的余量。降额不仅适用于温度,还适用于耐压等。在上面的示例中,虽然驱动器可以连续流过2.4A的电流,但是可以采取不在Tj=150℃的极限条件下使用,而是控制在比如电流2A以内(经过热计算后)、环境温度Ta保持在60℃以下的措施。这不仅关系到可靠性,还与安全性息息相关。

特别是对于功率元器件和电机驱动器而言,从安全角度出发,输出段晶体管是否在安全工作区(SOA:Safety Operation Area,或ASO:Area of Safety Operation)范围内工作是非常重要的因素。

在上面的示例中,是内置有四个MOSFET的H桥电机驱动器IC,因此不是单独考虑晶体管,而是需要作为IC整体来考虑,需要在不超过IC的额定值、封装容许损耗(PD)、最终不超过Tjmax的条件下留有余量即降额。但在使用控制器型电机驱动器IC通过外置的方式组成H桥时,选择和评估晶体管时必须考虑安全工作区。

安全工作区(SOA、ASO)

下图为MOSFET的安全工作区特性图示例。安全工作区位于蓝色曲线的内侧(电压和电流较小一侧的区域)。

安全工作区简单来说是在VDS和ID的额定值内侧,但需要加上容许损耗(热)和二次击穿(Second Breakdown)*1的限制。另外,还涉及到MOSFET的导通电阻带来的限制(当VDS低时,根据欧姆定律,ID不会达到额定值),不过在此图中省略了这部分限制(具体请参考这里)。

  • ①:受VDS额定值限制。在该例中为20V。
  • ④:受ID额定值限制。在该例中为2A。
  • ③:虽在VDS额定值和ID额定值的内侧,但受容许损耗(热)限制。是发热量(VDS×ID×封装热阻)+Ta=Tj超过Tjmax时的边界。
  • ②:受二次击穿*1限制。如果超过该值,就可能会引发热失控,从而导致劣化或损坏。

要想确认电机驱动器IC是否在安全工作区范围内,就需要测量电机驱动器IC实际的电压和电流。对于电机驱动器IC而言,需要注意的是,由于线圈是感性负载,在电压和电流之间存在相位差,因此需要在此前提下确认电压(VDS)和电流(ID)。

*1:“二次击穿”原本是表示热失控状态(当双极晶体管进入高电压大电流工作区时,出现电流集中现象,产生热点且阻抗下降,进而电流增加的状态)的术语,严格来讲并不是针对MOSFET的术语。但是,由于在MOSFET中也会产生热失控的状态(因热量导致栅极阈值电压和沟道电阻下降,从而导致电流增加,进而温度上升、电流进一步增加的状态),在MOSFET领域中,将这种状态表述为 “二次击穿”的情况并不在少数,因此本文使用了“二次击穿”这一术语。

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