MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)在電機驅(qū)動電路中扮演核心開關(guān)角色，其工作原理基于電場控制導電溝道的形成與斷開，從而實現(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)動邏輯及實際應用四個層面展開分析：

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，其導電通道分為N溝道和P溝道兩種類型。以N溝道增強型MOSFET為例，其工作原理依賴柵極電壓(Vgs)控制源漏極間導電溝道的形成：

關(guān)斷狀態(tài)：當Vgs低于閾值電壓(Vth，通常2-4V)時，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。

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

二、電機驅(qū)動中的工作模式

在電機驅(qū)動電路(如H橋)中，MOSFET通常以互補對管形式工作，通過交替導通實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)、調(diào)速及制動控制。以直流有刷電機驅(qū)動為例：

正轉(zhuǎn)控制：

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

PMOS的驅(qū)動邏輯與NMOS相反，需負電壓或?qū)Ｓ抿?qū)動芯片實現(xiàn)。

制動模式：

上下管同時關(guān)斷：電機慣性產(chǎn)生的反電動勢通過續(xù)流二極管形成回路，實現(xiàn)快速制動。

高端管需具備體二極管反向恢復特性，避免電壓尖峰損壞器件。

三、驅(qū)動電路的關(guān)鍵設計

柵極驅(qū)動電壓：

NMOS需正電壓驅(qū)動(如10-15V)，PMOS需負電壓或?qū)Ｓ抿?qū)動芯片(如IR2110)實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

驅(qū)動電壓不足會導致導通電阻增大，引發(fā)發(fā)熱問題;電壓過高可能擊穿柵氧層。

死區(qū)時間控制：

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

專用驅(qū)動芯片(如LM5106)內(nèi)置死區(qū)時間生成電路，確保安全切換。

續(xù)流二極管選擇：

電機電感在開關(guān)瞬間會產(chǎn)生反電動勢，需并聯(lián)快恢復二極管(如肖特基二極管)提供續(xù)流路徑。

二極管反向恢復時間(Trr)需小于死區(qū)時間，避免電壓尖峰。

四、典型應用場景

無人機電調(diào)（ESC）：

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

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

電動汽車主驅(qū)逆變器：

采用SiC MOSFET模塊，耐壓1200V，電流密度達500A/cm2。

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

步進電機驅(qū)動器：

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