MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)在電機驅動電路中扮演核心開關角色，其工作原理基于電場控制導電溝道的形成與斷開，從而實現高效、快速的電流通斷控制。以下從結構特性、工作模式、驅動邏輯及實際應用四個層面展開分析：

一、MOSFET的核心結構與特性

MOSFET由源極、漏極、柵極和襯底構成，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：

關斷狀態：當Vgs低于閾值電壓(Vth，通常2-4V)時，P型襯底與N+源漏區間的PN結反向偏置，溝道未形成，源漏極間呈現高阻態，電流幾乎為零。

導通狀態：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、電機驅動中的工作模式

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

正轉控制：

上管(PMOS)關斷，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。

關鍵參數：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)。

反轉控制：

下管(NMOS)關斷，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的驅動邏輯與NMOS相反，需負電壓或專用驅動芯片實現。

制動模式：

上下管同時關斷：電機慣性產生的反電動勢通過續流二極管形成回路，實現快速制動。

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、驅動電路的關鍵設計

柵極驅動電壓：

NMOS需正電壓驅動(如10-15V)，PMOS需負電壓或專用驅動芯片(如IR2110)實現電平轉換。

驅動電壓不足會導致導通電阻增大，引發發熱問題;電壓過高可能擊穿柵氧層。

死區時間控制：

H橋上下管切換時需插入死區時間(通常100-500ns)，防止直通短路。

專用驅動芯片(如LM5106)內置死區時間生成電路，確保安全切換。

續流二極管選擇：

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

二極管反向恢復時間(Trr)需小于死區時間，避免電壓尖峰。

四、典型應用場景

無人機電調（ESC）：

使用6個MOSFET(三相全橋)驅動無刷電機，開關頻率達20-50kHz。

關鍵需求：低導通電阻(<5mΩ)、高開關速度(<50ns)、強抗干擾能力。

電動汽車主驅逆變器：

采用SiC MOSFET模塊，耐壓1200V，電流密度達500A/cm2。

優勢：相比IGBT，開關損耗降低70%，效率提升3-5%。

步進電機驅動器：

通過H橋實現微步控制，MOSFET需支持高頻PWM(如20kHz)以降低噪音。

典型參數：Vgs=12V，Rds(on)=10mΩ，Qg=50nC。

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