電動工具における電力制御と熱管理のためのMOSFETソリューション

I. 課題起点：コードレスツールにおける電力損失と発熱

リチウムイオン電池技術の進化に伴い、コードレス電動工具は建設、メンテナンス、家庭用DIY市場で主流となっています。しかし、小型かつ高出力の設計では、電力制御の効率が低く、熱管理に深刻な課題があるという2つの問題に直面しています。

これらの課題を解決する鍵となるのがMOSFETです。低R_DS(on)、高速スイッチング、柔軟なパッケージ構成により、モータードライバ、バッテリー保護回路、ロードスイッチなどに広く使用されています。
 
II. アプリケーションアーキテクチャ：ドライブモジュールにおけるMOSFETの使用方法

コードレス電動工具は、通常、フルブリッジまたはハーフブリッジのドライブトポロジーを使用し、可変速度とスムーズな起動を実現するためにPWM制御と組み合わせます。MOSFETは以下の用途で重要な役割を果たします。
負荷パスのスイッチング。 バッテリーからモーターへの主電力スイッチング。
BLDCモーターの整流。 高速スイッチングにより、ブラシレスDCモーターに対して効率的な整流が可能になります。
バッテリー保護。 バックツーバックのMOSFETペアを使用して、逆極性および電流サージから保護します。
設計では、熱抵抗と空間効率を最適化するために、SOP-8、TO-252、またはDFNパッケージがよく選ばれます。

III. なぜこの業界でMOSFETが好まれるのか
機械式リレーまたはバイポーラトランジスタと比較して、MOSFETは顕著な技術的利点を提供します。

 
IV. ケーススタディ：18VコードレスインパクトドライバーにおけるMOSFETの適用

主要ブランドの18Vコードレスインパクトドライバーの設計において、エンジニアリングチームは以下の戦略を採用しました。

TO-252パッケージのデュアルNチャネルMOSFETがフルブリッジドライバーを構成しています。
発熱および電力損失を抑えるために、RDS(on)を8mΩ以下に維持しました。
サーマルパッド付きパッケージは、PCB上のアルミ製ヒートシンクと連携して放熱を実現しています。
オンチップESD保護により、ノイズの多い環境での性能が向上しました。

 
V. 今後の展望：よりスマートで高密度なシステムへ
コードレス電動工具におけるMOSFETの今後の使用傾向には以下が含まれます：
スマートフォルト検出、 GaN/SiCの統合、 高密度パワーモジュール、 MCU-BMS間の相互運用性。