Motor Notes 透過馬達驅動器輸出電晶體的寄生二極體進行電流再生時的功耗

本文將談一談使用電刷直流馬達驅動IC進行PWM驅動時，透過輸出MOSFET的寄生二極體進行電流再生時的功耗。之所以討論這個話題，是因為再生時的實際功耗可能會大於估算值，在某些情況下可能會引發問題，所以需要注意。

透過MOSFET的寄生二極體進行電流再生時，功耗是否會大於計算值？

當透過輸出MOSFET的寄生二極體進行電流再生時，其功耗應該是寄生二極體的正向電壓×馬達電流。然而實際上，有時功耗可能會大於這個計算值。

其原因是當電流流過輸出MOSFET的寄生二極體從而產生正向電壓時，MOSFET結構上固有的寄生電晶體會工作，電流從電源流向GND。這個電流小到不足流過二極體的電流的幾十分之一，但功耗是“電源電壓×電源－GND間電流”，是電源電壓較高時不可忽視的值。

下面將從驅動器輸出MOSFET的狀態、電流的流動以及輸出MOSFET的結構角度來解釋說明這種現象。

首先來看電流再生時輸出MOSFET的狀態和再生電流的流動情況。下面是全橋電路，但其中省略了與工作無關的MOSFET。（a）是給馬達供給電流時的電路，（b）和（c）都是電流再生時的電路，但由於有兩種電路狀態，所以將（b）命名為“電流再生時1”、將（c）命名為“電流再生時2”。

（b）電流再生時1是在供給電流時將導通的Q1斷路、而Q4保持導通。在這種狀態下，電流透過關斷狀態的Q2的寄生二極體和導通狀態的Q4再生。

（c）電流再生時2是在供給電流時將導通的Q1和Q4關斷，所有MOSFET處於關斷狀態。在這種情況下，電流透過Q2和Q4的寄生二極體再生。

接下來，為了說明導致流過附加電流的寄生電晶體，給出了馬達驅動IC的輸出MOSFET的結構示意圖（斷面圖）。在上面的電路圖中，高側使用了Pch MOSFET，低側使用了Nch MOSFET，所以下圖中也分別列出了它們的結構。

在輸出Nch MOSFET中，由汲極D的N型擴散層、元件分離用的P型擴散層和連接到電源的N型擴散層（在這裡是連接到輸出Pch MOSFET的源極S），可以形成寄生NPN電晶體Qa。

當再生電流流過這個Nch MOSFET的源極和汲極之間的寄生二極體Di_a時，由於元件分離P型擴散層是與GND相連接的，因此寄生NPN電晶體Qa的基極和射極極之間的二極體也會產生正向電壓。為此，寄生NPN電晶體Qa導通，流過集極電流並從電源Ea汲取電流。

對於輸出Pch MOSFET來說，原理也相同。可以由汲極D的P型擴散層、與源極S共用的背閘N型擴散層、元件分離等的P型擴散層來形成寄生PNP電晶體Qb。

當再生電流流過該Pch MOSFET的源極和汲極之間的寄生二極體Di_b時，寄生PNP電晶體Qb導通，流過集極電流，且電流流向GND。

當再生電流流過輸出MOSFET的寄生二極體時，電流透過寄生電晶體在電源和GND之間流動。一般來講，流過的電流比再生電流小兩個位數量級左右，但會因IC所使用的製程和MOSFET的佈局而有很大差異。因此，當透過輸出MOSFET的寄生二極體使用電流再生時，需要確認透過這些寄生電晶體流過的電流大小。

例如，在“（c）電流再生時2”中，假設電源電壓Ea=24V，再生電流Io=1.0A，Nch MOSFET寄生二極體的順向電壓VF_N=0.8V，Pch MOSFET的寄生二極體順向電壓VF_P=0.95V，Nch MOSFET的寄生電晶體和Pch MOSFET的寄生電晶體的電源和GND之間流動的電流與再生電流之比都為k1=1/100，則功耗

Pc如下：

 Pc＝Io×（VF_N＋VF_P＋2×k1×Ea）
  ＝1×（0.8＋0.95＋2×1/100×24）＝1.75＋0.48＝2.23W

在這個範例中，流經寄生電晶體的電流對功耗的影響是絕對不能忽視的。在電源電壓Ea高時需要注意。