?對更高功率密度的需求推動電動工具創(chuàng)新解決方案

電動工具中直流電機的優(yōu)先配置已從有刷直流大幅轉向更可靠、更有效的無刷直流（BLDC）解決方案。典型的諸如斬波器配置的有刷直流拓撲通常根據(jù)雙向開關的使用（或不使用）實現(xiàn)一個或兩個功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。另一方面，三相BLDC配置需要三個半橋或至少六個場效應管（FET），因此從有刷電流轉向無刷電流意味著全球電動工具FET總區(qū)域市場的3倍到6倍倍增（見圖1）。作為推動TI的NexFET?功率MOSFET的一員，我很難抱怨這一市場趨勢。


圖1：從有刷到無刷拓撲的轉換意味著FET數(shù)量的6倍倍增

但BLDC設計在這些FET上提出了新的技術要求。例如，若電路板上FET的數(shù)量6倍倍增也意味著驅動電機所需的印刷電路板（PCB）占用面積增加了6倍，那么BLDC設計不大可能仍適用于電動工具和園藝工具制造商。請記住，電力電子設備通常位于這些工具的手柄中；因此，為適應最小的手部尺寸，應用通常極其受到空間限制（參見圖2）。需要更高功率密度的解決方案，換句話講，需要可在更小空間中處理更多電流的FET。


圖2：在大多數(shù)電動工具中，電子設備位于手柄中

傳統(tǒng)意義上講，適用于驅動大功率電機的FET其封裝又大又重，如TO-220、DPAK和D2PAK。但像TI的小型無引線封裝（SON）5mm×6mm FET這類更新的方形扁平無引線（QFN）封裝在硅片和源極管腳之間能提供更小的封裝電阻。單位面積的電阻較小意味著單位面積的傳導損耗較少，也意味著更高的電流能力和更高的功率密度。因此，隨著FET硅單位面積的電阻（RSP）繼續(xù)下降（大致相當于過去每代產品的一半），電動工具、園藝工具和家用電器行業(yè)的QFN解決方案增長迅速也不足為奇了。這些較小的FET現(xiàn)在通常能夠自驅動高達30A或更高的直流電機電流；即使對于更高功率的設計，并行多個QFN有時更適用于更大的封裝。畢竟，兩個5mm×6mm的器件在60mm2的總PCB面積中仍只相當于占用一個D2PAK的一小部分尺寸，在總PCB空間大約為10mm×15mm，即150mm2（見圖3）。


圖3：半橋所需的PCB空間（未按比例畫出）

TI最近通過將兩個FET縱向集成到一個單一封裝中，將這一趨勢歸結為邏輯結論，在一個SON 5mm×6mm以上的功率模塊中提供整個半橋。40V CSD88584Q5DC和60V CSD88599Q5DC采用與TI低電壓功率塊相同的堆疊管芯技術，用于高頻電源應用，但采用優(yōu)化的硅片，以減少大電流電機驅動應用的傳導損耗。除最小化在PCB上并排兩個FET帶來的寄生電感外，縱向集成兩個FET可在同一封裝中容納更多的硅，從而實現(xiàn)比分立QFN器件更高的功率密度。

這些器件還具有帶裸露金屬頂部的耐熱增強型DualCool?封裝。因此，盡管仍存在一些情況，即電動工具制造商可能更傾向于使用TO-220 FET來表面貼裝FET，因為這些FET可安裝在大型散熱器上以將熱量從PCB排出，但是這些功率模塊采用QFN封裝提供了同樣的好處。例如，即使在最理想的熱環(huán)境中，通常也不鼓勵在典型的5mm×6mm的QFN中耗散3W以上的功率。但是通過適當?shù)厥褂蒙崞?，這些DualCool器件可以處理6W或更多的功耗，功率密度翻了一倍，而PCB占用面積減少了一半。

如今，在電動工具、園林工具及電池供電的家用電器中推出更受歡迎的BLDC電機時，功率密度就是游戲的代名詞。TI新的功率模塊解決方案可在前所未有的水平上實現(xiàn)這一目標。
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