電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際使用時(shí)的輸出電流

在上一篇文章中，談到了與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC輸出電流有關(guān)的絕對(duì)最大額定值和推薦工作條件。在本文中，一起來(lái)了解要想確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的壽命并安全地使用，不僅僅需要考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC輸出電流的額定值，還需要考慮到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的“降額”。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出電流規(guī)格值

下表與上一篇“電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的絕對(duì)最大額定值”中給出的表相同。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC為H橋結(jié)構(gòu)的功率MOSFET內(nèi)置型IC。在這些條件中，雖然輸出電流的最大額定值為3A，但是將推薦的2.4A作為最大輸出電流，在該條件下只要使用溫度不超過(guò)Tjmax=150℃就沒(méi)問(wèn)題，這一點(diǎn)應(yīng)該是可以理解的。

工作溫度高會(huì)縮短使用壽命

實(shí)際上，只要在遵守推薦工作條件的前提下使用，基本上沒(méi)有問(wèn)題，但是晶體管和IC等半導(dǎo)體元器件的可靠性（工作壽命）會(huì)因工作條件而有所不同。MTBF和FIT是表示可靠性的指標(biāo)，在推算這些指數(shù)時(shí)，溫度是決定推算所用的速率常數(shù)的主要因素之一。簡(jiǎn)而言之，溫度越高，速度越快，劣化越早，壽命越短，即可靠性降低。

關(guān)于部件和材料的壽命，有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則叫做“10℃加倍法則（10℃減半法則）”。根據(jù)該法則，當(dāng)溫度升高（降低）10℃時(shí)，壽命將減半（翻倍），這是基于可以計(jì)算可靠性相關(guān)的速率常數(shù)的阿倫尼烏斯定律得出的結(jié)論。對(duì)于需要對(duì)壽命進(jìn)行充分考慮的鋁電解電容器來(lái)說(shuō)，當(dāng)其壽命標(biāo)為“105℃/2000小時(shí)”時(shí)，相差10℃壽命會(huì)減半（加倍）的情況是的確如此的。因此半導(dǎo)體的使用壽命比電容器長(zhǎng)得多，可能不太容易理解，但是基本上是同一個(gè)道理。除了溫度以外，與速率常數(shù)有關(guān)的因素還有濕度和化學(xué)反應(yīng)。拋開(kāi)倍率不談，可以認(rèn)為只要條件越嚴(yán)苛，壽命就會(huì)越短。

需要通過(guò)降額來(lái)確?？煽啃院桶踩?/p>

“降額”是指相對(duì)于額定值留有一定的余量。降額不僅適用于溫度，還適用于耐壓等。在上面的示例中，雖然驅(qū)動(dòng)器可以連續(xù)流過(guò)2.4A的電流，但是可以采取不在Tj=150℃的極限條件下使用，而是控制在比如電流2A以內(nèi)（經(jīng)過(guò)熱計(jì)算后）、環(huán)境溫度Ta保持在60℃以下的措施。這不僅關(guān)系到可靠性，還與安全性息息相關(guān)。

特別是對(duì)于功率元器件和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器而言，從安全角度出發(fā)，輸出段晶體管是否在安全工作區(qū)（SOA：Safety Operation Area，或ASO：Area of Safety Operation）范圍內(nèi)工作是非常重要的因素。

在上面的示例中，是內(nèi)置有四個(gè)MOSFET的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC，因此不是單獨(dú)考慮晶體管，而是需要作為IC整體來(lái)考慮，需要在不超過(guò)IC的額定值、封裝容許損耗（PD）、最終不超過(guò)Tjmax的條件下留有余量即降額。但在使用控制器型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC通過(guò)外置的方式組成H橋時(shí)，選擇和評(píng)估晶體管時(shí)必須考慮安全工作區(qū)。

安全工作區(qū)（SOA、ASO）

下圖為MOSFET的安全工作區(qū)特性圖示例。安全工作區(qū)位于藍(lán)色曲線的內(nèi)側(cè)（電壓和電流較小一側(cè)的區(qū)域）。

安全工作區(qū)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是在VDS和ID的額定值內(nèi)側(cè)，但需要加上容許損耗（熱）和二次擊穿（Second Breakdown）*1的限制。另外，還涉及到MOSFET的導(dǎo)通電阻帶來(lái)的限制（當(dāng)VDS低時(shí)，根據(jù)歐姆定律，ID不會(huì)達(dá)到額定值），不過(guò)在此圖中省略了這部分限制（具體請(qǐng)參考這里）。

• ①：受VDS額定值限制。在該例中為20V。
• ④：受ID額定值限制。在該例中為2A。
• ③：雖在VDS額定值和ID額定值的內(nèi)側(cè)，但受容許損耗（熱）限制。是發(fā)熱量（VDS×ID×封裝熱阻）+Ta=Tj超過(guò)Tjmax時(shí)的邊界。
• ②：受二次擊穿*1限制。如果超過(guò)該值，就可能會(huì)引發(fā)熱失控，從而導(dǎo)致劣化或損壞。

要想確認(rèn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC是否在安全工作區(qū)范圍內(nèi)，就需要測(cè)量電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC實(shí)際的電壓和電流。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC而言，需要注意的是，由于線圈是感性負(fù)載，在電壓和電流之間存在相位差，因此需要在此前提下確認(rèn)電壓（VDS）和電流（ID）。

*1：“二次擊穿”原本是表示熱失控狀態(tài)（當(dāng)雙極晶體管進(jìn)入高電壓大電流工作區(qū)時(shí)，出現(xiàn)電流集中現(xiàn)象，產(chǎn)生熱點(diǎn)且阻抗下降，進(jìn)而電流增加的狀態(tài)）的術(shù)語(yǔ)，嚴(yán)格來(lái)講并不是針對(duì)MOSFET的術(shù)語(yǔ)。但是，由于在MOSFET中也會(huì)產(chǎn)生熱失控的狀態(tài)（因熱量導(dǎo)致柵極閾值電壓和溝道電阻下降，從而導(dǎo)致電流增加，進(jìn)而溫度上升、電流進(jìn)一步增加的狀態(tài)），在MOSFET領(lǐng)域中，將這種狀態(tài)表述為 “二次擊穿”的情況并不在少數(shù)，因此本文使用了“二次擊穿”這一術(shù)語(yǔ)。