真空吸塵器中 MOSFET 應用與規格分析

不同類型真空吸塵器的 MOSFET 應用情境

現代真空吸塵器依據供電方式主要分為無線（電池供電）、有線（市電供電）以及機器人吸塵器三類。各類型中 MOSFET
的應用電路略有不同，以下分別說明：

無線（電池式）吸塵器

無線手持或直立式吸塵器由鋰電池供電，一般電池電壓約在 12~25V（如 3~6 節 Li-ion，滿電約 12.6~25.2V）[1]。常見
MOSFET 應用包括：
- 馬達驅動電路：無線吸塵器的主馬達多為直流有刷或無刷馬達（BLDC）。高階產品多採用高效率的 BLDC 馬達[2]。驅動
BLDC 馬達需使用三相半橋功率 MOSFET 陣列（每相高低邊各一顆，共 6 顆 MOSFET），由驅動 IC 產生 PWM 來控制轉
速[3]。若採用有刷馬達，則通常以一顆低邊 MOSFET 進行 PWM 調速（單向控制），或使用 H 橋（4 顆 MOSFET）實現
正反轉控制。這些 MOSFET 必須能承受電池電壓（通常選用 30~40V 級的器件以涵蓋尖峰裕度）以及馬達啟動/加速時的高
浪湧電流。同時要求低導通電阻以減少導通損耗，因為在電池供電馬達驅動中 MOSFET 導通損耗可占總功耗的 60~80%[4]。
例如 Texas Instruments 指出，在電池供電馬達應用中應選用盡可能低 RDS(on)的 MOSFET 來降低損耗[5]。此外，由於
PWM 開關頻率通常達數十 kHz，MOSFET 的切換特性（閘極電荷 Qg、驅動電壓）也會影響效率，需要在低 RDS(on)與低
Qg 間取得平衡[6][7]。多數此類 MOSFET 採用邏輯電平閘極（VGS(th)常在 2~4V），確保在驅動 IC 提供 10V 或甚至 5V
閘極驅動時即可完全導通[8]。封裝上常用能提供大電流且散熱良好的形式，例如具曝露銅墊的 DFN5x6、SO-8FL，或
DPAK/TO-252、TO-220 等，以利將熱導出。實務上可能還會多顆並聯以進一步降低等效阻抗、分散發熱。


1、電池保護電路：鋰電池組內建保護板（BMS）通常使用 MOSFET 作為電子開關，防止過充、過放及過流。典型
做法是在電池正極或負極串接兩顆 N 通道 MOSFET 背靠背配置，以阻斷雙向電流[9]。這些 MOSFET 需要承受
與電池相當的電壓（一般 30~40V 等級），連續電流需覆蓋吸塵器最大工作電流（數十安培以上）。低 RDS(on)
是關鍵，因為保護 MOSFET 始終在放電路徑上，阻抗過大會造成明顯壓降和發熱[10]。例如某無線吸塵器 BMS
使用兩顆各 18 mΩ 的 MOSFET，15A 放電電流下每顆承受 0.27V 壓降、耗散約 4W 功率[10]。因此理想規格是
RDS(on)僅幾毫歐以下，以將損耗降至最低。由於 BMS 閘極驅動通常直接由監控 IC 提供（如將閘極拉至電池電
壓以導通 MOSFET），器件需為邏輯電平驅動類型。在開關速度方面，BMS MOSFET 平時處於連續導通狀態，
主要關注短路或過流發生時能快速關斷，因此 Qg 不需特別小但亦不可過大以免延遲反應。封裝多為扁平的功率
SON 封裝（如 SOP-8、DFN5x6 等）以方便集成在電池保護板上；高性能電池包也可能採用多顆 MOSFET 並聯
降低阻抗和熱分布。


2、DC-DC 轉換電路：無線吸塵器一般還包含降壓穩壓器，將電池高電壓降至電子控制電路所需的低壓（如 5V、
3.3V）。若採用開關式 Buck 轉換器，會用到 MOSFET 作開關（同步整流架構則上/下臂各一顆 MOSFET）。這
些 MOSFET 工作電壓同樣在電池電壓範圍附近（選用耐壓約 30~40V 器件），但電流通常較小（幾百毫安至數
安培）視控制電路耗電而定。由於開關頻率可能較高（數百 kHz），要求低閘極電荷 Qg 以減少開關損耗、提高
效率[6]。相對而言 RDS(on)不需要極低，數十毫歐是常見水準，因為電流不大時導通損耗影響有限。此類
MOSFET 常見於 SOT-23、SOT-223、SO-8 等小封裝即可滿足需求。邏輯電平閘極亦是優勢，方便由 PWM 控
制器直接驅動 5~10V 閘極電壓。

機器人吸塵器

機器人掃地吸塵器同樣以鋰電池供電（常見電壓如 4S 14.4V 或更高），因此其電源與馬達驅動架構與一般無線吸塵器類似。
主要差異在於機器人通常有多個馬達：一顆大功率馬達驅動真空風扇（吸力），另外有兩個驅動輪馬達，及若干小功率的滾
刷、邊刷馬達等[2]。因此機器人吸塵器的控制板上會包含多組 MOSFET 驅動：例如主吸力馬達可能是 BLDC（需要一組三
相 MOSFET 驅動器），而行走輪與刷子多為小型有刷 DC 馬達（每個馬達一組 H 橋 MOSFET）[2]。對 MOSFET 的電氣
規格要求會依馬達功率大小而異：主吸力馬達規格與上述無線吸塵器主馬達類似，需要耐 20~30V 且大電流、低阻抗的
MOSFET；而小馬達驅動 MOSFET 電流較低（幾安培級），容許稍高 RDS(on）但仍需考慮驅動效率和散熱。在機器人吸
塵器的 BMS 與 DC-DC 部分，MOSFET 考量與一般無線裝置相同：使用低壓損、高效的 MOSFET 作電池保護開關和降壓
穩壓。機器人本體空間有限，傾向使用表面貼裝 MOSFET 並將其熱焊盤與電路板大面積銅箔相連作散熱。亦有些設計採用
整合的馬達驅動 IC，內含 MOSFET 或半橋驅動器，視功率需求決定是否外接獨立 MOSFET。


有線（交流式）吸塵器

傳統有線吸塵器直接使用交流市電（110V 或 220V）供電，其主馬達多為交流串激或感應馬達，這類馬達通常不使用功率
MOSFET 進行開關驅動；速度控制若有需要，多以調壓器或可控硅（Triac）方式實現，MOSFET 並非主要角色。然而，隨
著數位變頻技術發展，也出現部分有線機種使用高速直流/無刷馬達搭配電子驅動器。此類設計中，市電經整流和 PFC 升壓
後形成數百伏直流，再由逆變器（多顆高壓 MOSFET 或 IGBT 組成）驅動高功率 BLDC 馬達。對於有線變頻吸塵器的逆變
MOSFET，需要耐高壓（一般選用耐壓 500~600V 以上的 MOSFET 以適應交流整流後約 320V 的總線電壓），電流容量數
安培以上（視馬達功率，典型 1500W 馬達約 5A 均值，啟動瞬間更高）。這些高壓 MOSFET 通常採用超接面（Super
Junction）工藝以兼顧較低導通阻抗與快速開關能力[11]。相對低壓器件，其 RDS(on)會高出許多，可能在 0.1~0.5Ω 範圍，
但能在高耐壓下保持此水準已屬先進規格[12]。閘極電荷 Qg 和切換損耗也是高壓逆變 MOSFET 的重要考量，因開關頻率
可能達幾十 kHz 以減少馬達噪音，此時須選擇平衡 RDS(on)與 Qg 的器件，並搭配專用閘極驅動 IC 提供 10~15V 驅動電壓。
封裝方面，高壓大功率 MOSFET 常見 TO-220、TO-247 等，可安裝散熱片以處理較大的功率耗散。同時需注意漏極電壓高
dv/dt 環境下 MOSFET 的可靠性與隔離措施。

除此之外，有線吸塵器普遍還有一個低壓控制電源（SMPS 模組），將市電降壓提供給控制電路。該模組通常是一個幾瓦
的反激或降壓式轉換器，使用一顆高壓 MOSFET 在初級開關。這顆 MOSFET 耐壓一般在 600~800V，電流幾安培以內，
R_DS(on)數 Ω 以內即可，封裝多為 TO-220 或 TO-252 等。同樣，它要求耐高壓、高速開關（Qg 較低）以提高電源效率。
因此，即使傳統有線機種主馬達不靠 MOSFET 驅動，在其開關電源部分依然能見到 MOSFET 的身影。例如 Bruckewell 推
出的 MSD6N70 就是 700V 耐壓的 N 溝道 MOSFET，可用於 AC/DC 電源轉換等高壓應用[13]。


各應用電路對 MOSFET 的關鍵規格需求

針對以上不同應用情境，MOSFET 元件需要具備相應的電氣特性。下表彙總了真空吸塵器中主要 MOSFET 應用的常見規格要求：



表：真空吸塵器主要 MOSFET應用之規格需求概覽

上述各應用的規格需求中，最核心的是耐壓 VDS 與電流 ID 需覆蓋應用情境，且留有足夠餘量。例如電池 18V 系統常選用
30–40V MOSFET 確保有至少 40%的耐壓裕度[16]。導通電阻 R_DS(on)影響導通態損耗，須依電流大小盡量尋找低阻值器
件[5]；但 RDS(on)降低往往伴隨晶片面積變大、閘極電荷增加，設計時需要在開關損耗與導通損耗間權衡[7]。一般地，在
主馬達這類大電流低電壓場合，選擇超低 RDS(on)以降低銅損更為重要，而在 DC-DC 這種小電流高頻應用中，則寧取低
Qg 以減少開關損耗。封裝與散熱方面，需根據功率選擇合適方案：低壓大電流 MOSFET 常用增強散熱的表面貼裝封裝或
加裝散熱器，而小信號 MOSFET 則著重於小體積和佈局散熱。最後，閘極閾值電壓與驅動電壓決定了元件能否在應用中被
充分驅動。對於需要由邏輯或驅動 IC 直接控制的 MOSFET，應選擇邏輯電平 MOSFET（如 VGS(th)_max 在 2~4V 範圍且
在 4.5V 就有低 RDS(on)規格），確保在驅動電路電壓有限時也能達到良好導通態。此外，閘極耐壓需滿足系統可能出現的
尖峰（一般內部 20V 箝位或規格±20V 以上）。


Bruckewell MOSFET 產品線推薦及料號比較

根據上述需求，我們從 Bruckewell 提供的 MOSFET 產品線中挑選出幾款適合真空吸塵器應用的具體料號，並比較其關鍵規
格（資料來源：Bruckewell 官方數據表）如下：


以上推薦中，MSH60N021 屬於 Bruckewell 的超低阻抗盾閘 MOSFET 系列，僅 2.1 mΩ 的 RDS(on)在同級 30~60V 器件中
表現卓越，可顯著降低電池驅動馬達的導通損耗[18]。若需要更高電壓餘量或車規認證，MSH80N087AU 提供 80V 耐壓和
AEC-Q101 認證，雖 RDS(on)略高於 60N021，但在 40V 以下應用中具有充分餘裕[20][8]。對於小電流的輔助電源或小馬達，
MSD23N22 這類 SOT-23 MOSFET 以較高阻抗換取低閘極電容，能滿足高頻開關需求且簡化驅動[14]。最後，在市電供電
的場合，MSP600N190 代表了 Bruckewell 高壓 MOSFET 產品，其 600V 耐壓/0.16Ω 導通特性適用於吸塵器的 AC-DC 變
換與馬達變頻驅動模塊[12]。綜上所述，設計人員可根據真空吸塵器的類型與電路需求，從 Bruckewell 豐富的 MOSFET 產
品線中選擇適當的料號，以兼顧電氣性能與成本效益，滿足高效能、可靠性的設計目標[16]。