提供工业自动化设备稳定的电源驱动力

机器人与工业自动化设备已经是工业生产过程中不可缺席的要角，如今机器人也陆续朝向家用与商用市场发展，以不同的形态、功能，出现在消费者的面前。这些机器人都需要稳定的电源来驱动电机与控制系统，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）便在其中扮演重要的角色。本文将为您介绍MOSFET的发展历程，以及安森美（onsemi）所推出的功率MOSFET的功能特性。

MOSFET历史悠久持续演进

场效应晶体管（FET）背后的理论自1920~1930年就已为人所知，这比双极结型晶体管（BJT）的发明早了20年，但由于缺乏合适的半导体材料和技术不成熟，发展非常缓慢。当时，美国的Julius Edgar Lilienfeld提出了一种晶体管模型，每侧有两个金属触点，半导体顶部有一块金属板（铝）。由金属板提供的电压形成的半导体表面的电场，能够控制金属触点之间的电流，这是FET的最初概念，William Shockely则于1952年推出了结型场效应晶体管（JFET）。

MOSFET在1960年由贝尔实验室的Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng首次实作成功，这种组件和Shockely等人发明的BJT的操作原理有相当大的差异，且因为MOSFET的制造成本更为低廉，并具有面积较小、高集成度的优势，在大规模集成电路设计与制造上，其重要性远超过BJT。MOSFET已经是现代电子产品的基本组成部分，也是历史上制造最频繁的器件。

与BJT相比，MOSFET具有更快的开关速度（非常适合数字信号）、更小的尺寸、显著降低的功耗，以及更高的密度（适合大规模集成）。此外，MOSFET也更便宜，并且具有相对简单的加工步骤，从而拥有高制造良率。

近年来由于MOSFET组件朝向微缩和小型化发展，MOSFET的效能逐渐提升，推动着电子半导体技术快速的呈指数级增长，并支持存储芯片和微处理器等高密度IC等数字信号处理的应用，也有越来越多模拟信号处理的集成电路可以用MOSFET来实现，应用领域越来越广泛。

功率MOSFET重要性日增市场日益庞大

功率MOSFET则是专门处理大功率的电压和电流的MOSFET，也是功率半导体的一种。早期电源应用是使用BJT作为开关器件，但因为其有一些缺点，导致了功率MOSFET的发展，经过不断的研究改进使MOSFET具备替代BJT的特性，使得功率MOSFET常用于开关模式电源（SMPS）、电脑外围设备、汽车和电机控制等应用。

功率MOSFET的优点是其切换速度快，在低电压下具有高效率。功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）都有隔离的栅体，因此在驱动上比较容易。功率MOSFET的缺点是增益较小，有时栅极驱动的电压甚至比实际要控制的电压还低。

随着MOSFET及CMOS技术持续的演进，自1960年起MOSFET已用在集成电路上，这也是功率MOSFET的设计得以实现的原因。功率MOSFET自1970年代开始便有商品贩卖，目前更是百家争鸣，市面上的产品相当多样。

功率MOSFET是世界上最常见的功率半导体器件，因为其可实现低栅极驱动功率、快速开关速度和先进的并联能力，并具有高带宽、坚固耐用、易于驱动、偏压简单、容易使用、容易维修等特性，尤其是应用最广泛的低压（小于200 V）开关，包括大部份的电源供应器、DC-DC转换器、低电压电机控制器等，以及许多其他的应用，市场空间相当庞大。

依据应用需求来选择合适的MOSFET

市面上生产MOSFET的厂家众多，型号与类型更是多如过江之鲫，导致工程师常会出现MOSFET的选择困难。当然，选择MOSFET得先观看厂家提供的数据表，然后依据自己的应用需求来选择合适的产品。

选择MOSFET首先要确认电压等级，再来则是导通电阻（RDS(on)）、额定电流、功率耗散。不过，由于MOSFET会受到工作温度的影响，因此得先了解该器件的测试条件，数据表上的数值是“最大”或是“典型”值，这都会影响到器件的实际表现。

此外，MOSFET的选型还可分成四个步骤。首先要决定选用N沟道还是P沟道，若是MOSFET使用在低压侧开关中，应采用N沟道MOSFET，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关，通常会采用P沟道MOSFET。

再来则是选择MOSFET额定电流，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流，即是系统在连续模式和脉冲尖峰时所产生的尖峰电流，因此只需选择能承受这个最大电流的器件即可。

接下来则是确定热需求，设计人员必须考虑最坏情况和真实情况下的系统散热要求，建议要以最坏情况的计算结果作为主要考虑，以提供更大的安全余量，确保系统不会失效。

最后则是要决定开关性能，影响开关性能的参数有很多，但最重要的是电容所产生的开关损耗，因为在每次开关时都要对电容充电，因此会影响到器件的效率。

提升电机运作效能的功率MOSFET

近年来，随着机器人与自动化设备应用的快速发展，在这些设备中，采用了数量庞大的电机，用以控制机器零部件与自身的移动，因此需要众多的功率MOSFET来驱动电机。安森美针对电机驱动应用，推出了NTBLS1D5N10MC这款单极、N沟道的功率MOSFET。

安森美的NTBLS1D5N10MC是一款单极、N沟道的功率MOSFET，支持TOLL封装，可输出100 V、1.53 mΩ、312 A的功率，具备低RDS(ON)、低总栅极电荷（QG）和电容，具有较低的开关噪声／电磁干扰（EMI），并是无铅、无卤素／无溴化阻燃剂（BFR）的器件，并且符合RoHS标准，可最小化传导损耗，最大限度地减少驱动器损失，可应用于机器人与自动化设备、电动工具、电池供电的真空吸尘器、无人机、物料搬运、电池管理系统（BMS）／存储、家庭自动化等领域，常见的最终产品包括电机控制、工业电源与太阳能逆变器等。

结语

机器人与自动化设备采用了众多的电机来驱动机器运转，因此采用高效率、稳定的功率MOSFET来驱动电机，将是提升设备运作效率的关键。安森美是重要的MOSFET供应商之一，提供多样的MOSFET产品线，并针对电机驱动应用推出相对应的功率MOSFET，将会是机器人与自动化设备应用的最佳选择。