MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中扮演核心開關(guān)角色，其工作原理基于電場控制導(dǎo)電溝道的形成與斷開，從而實(shí)現(xiàn)高效、快速的電流通斷控制。以下從結(jié)構(gòu)特性、工作模式、驅(qū)動(dòng)邏輯及實(shí)際應(yīng)用四個(gè)層面展開分析：

一、MOSFET的核心結(jié)構(gòu)與特性

MOSFET由源極、漏極、柵極和襯底構(gòu)成，其導(dǎo)電通道分為N溝道和P溝道兩種類型。以N溝道增強(qiáng)型MOSFET為例，其工作原理依賴柵極電壓(Vgs)控制源漏極間導(dǎo)電溝道的形成：

關(guān)斷狀態(tài)：當(dāng)Vgs低于閾值電壓(Vth，通常2-4V)時(shí)，P型襯底與N+源漏區(qū)間的PN結(jié)反向偏置，溝道未形成，源漏極間呈現(xiàn)高阻態(tài)，電流幾乎為零。

導(dǎo)通狀態(tài)：當(dāng)Vgs超過Vth時(shí)，柵極下方形成N型反型層，連接源漏極形成導(dǎo)電通道。此時(shí)漏極電流(Id)隨Vgs升高而線性增加，導(dǎo)通電阻(Rds(on))顯著降低(可低至毫歐級(jí))。

二、電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的工作模式

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(如H橋)中，MOSFET通常以互補(bǔ)對(duì)管形式工作，通過交替導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、調(diào)速及制動(dòng)控制。以直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例：

正轉(zhuǎn)控制：

上管(PMOS)關(guān)斷，下管(NMOS)導(dǎo)通：電流從電源正極→下管→電機(jī)→地，形成正向電流回路。

關(guān)鍵參數(shù)：NMOS的Vgs需超過閾值電壓(如10V)，同時(shí)確保漏源電壓(Vds)不超過最大耐壓值(如60V)。

反轉(zhuǎn)控制：

下管(NMOS)關(guān)斷，上管(PMOS)導(dǎo)通：電流從電源正極→上管→電機(jī)→地，形成反向電流回路。

PMOS的驅(qū)動(dòng)邏輯與NMOS相反，需負(fù)電壓或?qū)Ｓ抿?qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)。

制動(dòng)模式：

上下管同時(shí)關(guān)斷：電機(jī)慣性產(chǎn)生的反電動(dòng)勢通過續(xù)流二極管形成回路，實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。

高端管需具備體二極管反向恢復(fù)特性，避免電壓尖峰損壞器件。

三、驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵設(shè)計(jì)

柵極驅(qū)動(dòng)電壓：

NMOS需正電壓驅(qū)動(dòng)(如10-15V)，PMOS需負(fù)電壓或?qū)Ｓ抿?qū)動(dòng)芯片(如IR2110)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

驅(qū)動(dòng)電壓不足會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增大，引發(fā)發(fā)熱問題;電壓過高可能擊穿柵氧層。

死區(qū)時(shí)間控制：

H橋上下管切換時(shí)需插入死區(qū)時(shí)間(通常100-500ns)，防止直通短路。

專用驅(qū)動(dòng)芯片(如LM5106)內(nèi)置死區(qū)時(shí)間生成電路，確保安全切換。

續(xù)流二極管選擇：

電機(jī)電感在開關(guān)瞬間會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢，需并聯(lián)快恢復(fù)二極管(如肖特基二極管)提供續(xù)流路徑。

二極管反向恢復(fù)時(shí)間(Trr)需小于死區(qū)時(shí)間，避免電壓尖峰。

四、典型應(yīng)用場景

無人機(jī)電調(diào)（ESC）：

使用6個(gè)MOSFET(三相全橋)驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)，開關(guān)頻率達(dá)20-50kHz。

關(guān)鍵需求：低導(dǎo)通電阻(<5mΩ)、高開關(guān)速度(<50ns)、強(qiáng)抗干擾能力。

電動(dòng)汽車主驅(qū)逆變器：

采用SiC MOSFET模塊，耐壓1200V，電流密度達(dá)500A/cm2。

優(yōu)勢：相比IGBT，開關(guān)損耗降低70%，效率提升3-5%。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：

通過H橋?qū)崿F(xiàn)微步控制，MOSFET需支持高頻PWM(如20kHz)以降低噪音。

典型參數(shù)：Vgs=12V，Rds(on)=10mΩ，Qg=50nC。

MOSFET在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中通過電場控制實(shí)現(xiàn)高效電流通斷，其核心優(yōu)勢在于低導(dǎo)通損耗、高開關(guān)速度及強(qiáng)抗干擾能力。通過材料創(chuàng)新(如SiC)、驅(qū)動(dòng)優(yōu)化(死區(qū)控制)及熱管理升級(jí)，MOSFET已成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的主流功率器件，推動(dòng)電動(dòng)汽車、工業(yè)自動(dòng)化等場景向更高效率、更小體積演進(jìn)。