【導讀】機器人與工業自動化設備已經是工業生產過程中不可缺席的要角，如今機器人也陸續朝向家用與商用市場發展，以不同的形態、功能，出現在消費者的面前。這些機器人都需要穩定的電源來驅動電機與控制系統，MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）便在其中扮演重要的角色。本文將為您介紹MOSFET的發展歷程，以及安森美（onsemi）所推出的功率MOSFET的功能特性。
MOSFET歷史悠久持續演進
場效應晶體管（FET）背后的理論自1920~1930年就已為人所知，這比雙極結型晶體管（BJT）的發明早了20年，但由于缺乏合適的半導體材料和技術不成熟，發展非常緩慢。當時，美國的Julius Edgar Lilienfeld提出了一種晶體管模型，每側有兩個金屬觸點，半導體頂部有一塊金屬板（鋁）。由金屬板提供的電壓形成的半導體表面的電場，能夠控制金屬觸點之間的電流，這是FET的最初概念，William Shockely則于1952年推出了結型場效應晶體管（JFET）。
MOSFET在1960年由貝爾實驗室的Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng首次實作成功，這種組件和Shockely等人發明的BJT的操作原理有相當大的差異，且因為MOSFET的制造成本更為低廉，并具有面積較小、高集成度的優勢，在大規模集成電路設計與制造上，其重要性遠超過BJT。MOSFET已經是現代電子產品的基本組成部分，也是歷史上制造最頻繁的器件。
與BJT相比，MOSFET具有更快的開關速度（非常適合數字信號）、更小的尺寸、顯著降低的功耗，以及更高的密度（適合大規模集成）。此外，MOSFET也更便宜，并且具有相對簡單的加工步驟，從而擁有高制造良率。
近年來由于MOSFET組件朝向微縮和小型化發展，MOSFET的效能逐漸提升，推動著電子半導體技術快速的呈指數級增長，并支持存儲芯片和微處理器等高密度IC等數字信號處理的應用，也有越來越多模擬信號處理的集成電路可以用MOSFET來實現，應用領域越來越廣泛。
功率MOSFET重要性日增市場日益龐大
功率MOSFET則是專門處理大功率的電壓和電流的MOSFET，也是功率半導體的一種。早期電源應用是使用BJT作為開關器件，但因為其有一些缺點，導致了功率MOSFET的發展，經過不斷的研究改進使MOSFET具備替代BJT的特性，使得功率MOSFET常用于開關模式電源（SMPS）、電腦外圍設備、汽車和電機控制等應用。
功率MOSFET的優點是其切換速度快，在低電壓下具有高效率。功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）都有隔離的柵體，因此在驅動上比較容易。功率MOSFET的缺點是增益較小，有時柵極驅動的電壓甚至比實際要控制的電壓還低。
隨著MOSFET及CMOS技術持續的演進，自1960年起MOSFET已用在集成電路上，這也是功率MOSFET的設計得以實現的原因。功率MOSFET自1970年代開始便有商品販賣，目前更是百家爭鳴，市面上的產品相當多樣。
功率MOSFET是世界上最常見的功率半導體器件，因為其可實現低柵極驅動功率、快速開關速度和先進的并聯能力，并具有高帶寬、堅固耐用、易于驅動、偏壓簡單、容易使用、容易維修等特性，尤其是應用最廣泛的低壓（小于200 V）開關，包括大部份的電源供應器、DC-DC轉換器、低電壓電機控制器等，以及許多其他的應用，市場空間相當龐大。
依據應用需求來選擇合適的MOSFET
市面上生產MOSFET的廠家眾多，型號與類型更是多如過江之鯽，導致工程師常會出現MOSFET的選擇困難。當然，選擇MOSFET得先觀看廠家提供的數據表，然后依據自己的應用需求來選擇合適的產品。
選擇MOSFET首先要確認電壓等級，再來則是導通電阻（RDS(on)）、額定電流、功率耗散。不過，由于MOSFET會受到工作溫度的影響，因此得先了解該器件的測試條件，數據表上的數值是“最大”或是“典型”值，這都會影響到器件的實際表現。
此外，MOSFET的選型還可分成四個步驟。首先要決定選用N溝道還是P溝道，若是MOSFET使用在低壓側開關中，應采用N溝道MOSFET，這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線及負載接地時，就要用高壓側開關，通常會采用P溝道MOSFET。
再來則是選擇MOSFET額定電流，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流，即是系統在連續模式和脈沖尖峰時所產生的尖峰電流，因此只需選擇能承受這個最大電流的器件即可。
接下來則是確定熱需求，設計人員必須考慮最壞情況和真實情況下的系統散熱要求，建議要以最壞情況的計算結果作為主要考慮，以提供更大的安全余量，確保系統不會失效。
最后則是要決定開關性能，影響開關性能的參數有很多，但最重要的是電容所產生的開關損耗，因為在每次開關時都要對電容充電，因此會影響到器件的效率。
提升電機運作效能的功率MOSFET
近年來，隨著機器人與自動化設備應用的快速發展，在這些設備中，采用了數量龐大的電機，用以控制機器零部件與自身的移動，因此需要眾多的功率MOSFET來驅動電機。安森美針對電機驅動應用，推出了NTBLS1D5N10MC這款單極、N溝道的功率MOSFET。
安森美的NTBLS1D5N10MC是一款單極、N溝道的功率MOSFET，支持TOLL封裝，可輸出100 V、1.53 mΩ、312 A的功率，具備低RDS(ON)、低總柵極電荷（QG）和電容，具有較低的開關噪聲／電磁干擾（EMI），并是無鉛、無鹵素／無溴化阻燃劑（BFR）的器件，并且符合RoHS標準，可最小化傳導損耗，最大限度地減少驅動器損失，可應用于機器人與自動化設備、電動工具、電池供電的真空吸塵器、無人機、物料搬運、電池管理系統（BMS）／存儲、家庭自動化等領域，常見的最終產品包括電機控制、工業電源與太陽能逆變器等。
結語
機器人與自動化設備采用了眾多的電機來驅動機器運轉，因此采用高效率、穩定的功率MOSFET來驅動電機，將是提升設備運作效率的關鍵。安森美是重要的MOSFET供應商之一，提供多樣的MOSFET產品線，并針對電機驅動應用推出相對應的功率MOSFET，將會是機器人與自動化設備應用的最佳選擇。
來源：艾睿電子
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