Wie viel Strom verschwendet Ihre H-Bridge? Berechnung der MOSFET-Verluste in Motortreibern

Warum Verluste an Motorfahrern wichtig sind

Sie haben Ihre MOSFETs ausgewählt, Ihre H-Brücke angeordnet und der Motor dreht sich. Job erledigt? Nicht ganz. Der Unterschied zwischen einem Motortreiber, der auf dem Prüfstand funktioniert, und einem, der in der Produktion überlebt, hängt oft vom thermischen Design ab — und das thermische Design beginnt damit, genau zu wissen, wie viel Leistung jeder FET ableitet.

Die Verluste am Motortreiber lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Leitungsverluste (Widerstandserwärmung bei eingeschaltetem FET) und Schaltverluste (Energie, die bei jedem Ein- und Ausschalten verbrannt wird). Wenn Sie diese Zahlen falsch angeben, überschreiten Sie entweder Ihren Kühlkörper und verschwenden Platz auf der Platine, oder Sie unterschätzen die Spezifikationen und beobachten, wie Ihre FETs zum ungünstigsten Zeitpunkt thermisch abgeschaltet werden.

Lassen Sie uns die Mathematik aufschlüsseln, ein reales Beispiel durcharbeiten und Ihnen zeigen, wie Sie mit unserem Rechner [Öffnen Sie den Leistungsverlust des Motortreibers] (https://rftools.io/calculators/motor/motor-driver-power/) in Sekundenschnelle Antworten erhalten.

Leitungsverlust: Die Steady-State-Steuer

Immer wenn ein MOSFET vollständig eingeschaltet ist, verhält er sich wie ein kleiner Widerstand — es ist „MATHINLINE_8“. Bei einer PWM-gesteuerten H-Brücke ist der FET nicht zu 100% eingeschaltet, sondern nur für einen Bruchteil des durch den Arbeitszyklus „MATHINLINE_9“ definierten Zeitraums. Der Effektivstrom, der während des Einschaltens durch den FET fließt, bestimmt den Leitungsverlust:

„MATHBLOCK_0“

Das ist pro FET. Bei einer typischen H-Brücke leiten zwei FETs gleichzeitig (ein High-Side, ein Low-Side), sodass der gesamte Leitungsverlust über die Brücke während des aktiven Antriebs „MATHINLINE_10“ beträgt — aber im Freilauf (Rezirkulation) leiten verschiedene FETs den Strom. Bei einer Vollbrücke mit kontinuierlicher PWM werden in der Regel alle vier FETs berücksichtigt, wobei sich jedes Paar den Arbeitszyklus und sein Komplement teilt.

Ein wichtiger Fehler: „MATHINLINE_11“ steigt mit der Temperatur. Der Wert im Datenblatt liegt in der Regel bei 25 °C. Bei einer Sperrschichttemperatur von 100 °C ist mit einem 1,5- bis 2-fachen Anstieg zu rechnen. Bei der Konstruktion wird immer der Wert „heiß“ verwendet.

Schaltverlust: Die Geschwindigkeitssteuer

Jedes Mal, wenn ein MOSFET von Aus auf Ein (oder umgekehrt) übergeht, durchläuft er kurzzeitig seinen linearen Bereich, in dem sowohl Spannung als auch Strom gleichzeitig hoch sind. Der Energieverlust pro Übergang beträgt ungefähr:

„MATHBLOCK_1“

Eine praktische Möglichkeit, „MATHINLINE_12“ und „MATHINLINE_13“ abzuschätzen, wenn Sie die Gate-Ladung „MATHINLINE_14“ und den Gate-Treiberstrom kennen, besteht darin, „MATHINLINE_15“ direkt zu verwenden. Der Rechner verwendet ein vereinfachtes, aber effektives Modell:

„MATHBLOCK_2“

wobei „MATHINLINE_16“ die PWM-Schaltfrequenz ist. Dies skaliert linear mit der Frequenz — weshalb das Hochdrehen von „MATHINLINE_17“, um hörbare Geräusche über 20 kHz zu erhöhen, mit echten thermischen Kosten verbunden ist.

Funktioniertes Beispiel: Treiber für gebürsteten Gleichstrommotor mit 24 V und 10 A

Lassen Sie uns die Verluste für ein ziemlich häufiges Szenario bemessen:

Leitungsverlust pro FET:

„MATHBLOCK_3“

Schaltverlust pro FET:

„MATHBLOCK_4“

Gesamtverlust pro FET:

„MATHBLOCK_5“

Totaler Brückenverlust (4 FETs) :

Bei einer vollständigen H-Brücke schalten zwei FETs aktiv und zwei übertragen Freilaufstrom. Die gesamte Brückendissipation summiert alle vier Beiträge. Für diesen symmetrischen Fall gilt:

„MATHBLOCK_6“

Geschätzte Fahrereffizienz:

Der Motor erhält eine elektrische Leistung von „MATHINLINE_20“ W. Die geschätzte Effizienz lautet:

„MATHBLOCK_7“

Das ist ziemlich gut — und es zeigt, warum niedrige „MATHINLINE_21“ -FETs bei moderaten Schaltfrequenzen für Motorantriebe so beliebt sind. Beachten Sie jedoch, was passiert, wenn Sie „MATHINLINE_22“ auf 80 kHz vervierfachen, um jegliche Spur von akustischem Geräusch zu eliminieren: Die Schaltverluste steigen auf 0,48 W pro FET, der gesamte Brückenverlust steigt auf 4,32 W, und Sie haben 50% mehr Wärme hinzugefügt, ohne dass der Motor davon profitiert.

Implikationen für das Design

Ein paar praktische Erkenntnisse aus dieser Analyse:

• Der Leitungsverlust dominiert bei niedrigen Schaltfrequenzen. Wenn Sie mit 10—20 kHz arbeiten, konzentrieren Sie Ihr Budget auf niedrige „MATHINLINE_23“ -FETs.
• Bei hohen Frequenzen dominiert der Schaltverlust. Oberhalb von 50 kHz wird die Gate-Ladung „MATHINLINE_24“ zum kritischen Parameter. Halten Sie Ausschau nach FETs, die für die Leistungskennzahl beim Schalten optimiert sind („MATHINLINE_25“).
• Die Einschaltdauer ist wichtig für die Leitung, nicht für das Schalten. Schaltverluste hängen von Frequenz und Laststrom ab, nicht von der Einschaltdauer.
• Thermische Leistungsreduzierung ist nicht verhandelbar. Unser Beispiel ergibt 0,72 W pro FET. In einem SOT-23- oder PowerPak-Gehäuse mit „MATHINLINE_26“ °C/W entspricht das einem Anstieg von 36 °C gegenüber der Umgebungstemperatur — überschaubar, aber bei eingeschränktem Luftstrom wird er schnell enger.

Wenn die Zahlen ungemütlich werden

Wenn der Rechner Brückenverluste anzeigt, durch die Ihre Sperrschichttemperatur auf über 125 °C steigt (oder was auch immer der maximale Nennwert Ihres FET ist), haben Sie vier Möglichkeiten:

1. Niedrigerer Wert für „MATHINLINE_27“ — größerer FET oder parallele FETs
2. Niedrigerer „MATHINLINE_28“ — FET, der schneller schaltet (wird oft gegen „MATHINLINE_29“ abgeglichen)
3. Senken Sie „MATHINLINE_30“ — nehmen Sie mehr Welligkeit oder hörbare Geräusche in Kauf
4. Besserer Wärmepfad — freiliegendes Pad, dickeres Kupfer, Kühlkörper, Druckluft

Mit dem Taschenrechner können Sie all dies in Sekunden wiederholen, was genau der Punkt ist.

Versuch es

Geben Sie den aktuellen Motorstrom, die Versorgungsspannung und die FET-Parameter in den Rechner [Öffnen Sie den Motor Driver Power Dissipation] (https://rftools.io/calculators/motor/motor-driver-power/) ein und sehen Sie genau, wohin Ihre Wattzahl fließt. Dies ist der schnellste Weg, Ihre FET-Auswahl und Ihr thermisches Design auf Herz und Nieren zu überprüfen, bevor Sie sich für ein PCB-Layout entscheiden. Wiederholen Sie „MATHINLINE_31“, „MATHINLINE_32“ und wechseln Sie die Frequenz, bis die Zahlen Ihren Wärmetechniker glücklich machen — oder hören Sie zumindest auf, die Stirn zu runzeln.