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Motor

H-Brücken-MOSFET-Auswahl

Berechnen Sie die Anforderungen an H-Brücken-MOSFETs, einschließlich Spitzenstrom, Leitungsverluste und Mindestnennstrom für Gleichstrommotortreiber.

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Formel

I_peak = I_rated × k, P_cond = I²× R_DS(on)

k— Inrush multiplier (×)
R_DS— MOSFET on-resistance (Ω)

Wie es funktioniert

Eine H-Brücke ist ein Stromkreis, der aus vier Schaltern (typischerweise MOSFETs) besteht, die so angeordnet sind, dass bidirektionaler Strom durch einen Gleichstrommotor fließt. Durch Einschalten der Diagonalpaare steuert die Brücke den Strom in beide Richtungen und ermöglicht so das Vorwärts- und Rückwärtsfahren sowie das Bremsen. Die wichtigsten Auswahlparameter sind: kontinuierlicher Ableitstrom (I_D) ≥ 1,5 × Motornennstrom, Nennspannung der Abflussquelle (V_DS) ≥ 2 × Versorgungsspannung, Durchlasswiderstand (R_DS (on)) zur Minimierung von Leitungsverlusten und Gate-Ladung (Q_g), die mit der Antriebsleistung des Gate-Drivers kompatibel ist.

Bearbeitetes Beispiel

Wählen Sie MOSFETs für eine H-Brücke, die einen 24-V-10-A-Dauermotor mit 30 A Spitzeneinschaltstrom antreibt. Schritt 1 — Nennspannung (2 × Derating): V_DS ≥ 2 × 24 = 48 V → Verwenden Sie MOSFETs mit einer Nennleistung von 60 V Schritt 2 — Nennstrom (1,5× Dauerbetrieb + Griffspitze): I_d_Cont ≥ 1,5 × 10 = 15 A kontinuierlich I_d_Peak ≥ 30 A (für Einschaltstrom) → Wählen Sie einen MOSFET mit einer Nennleistung von 40 A im Dauerbetrieb/100 A in der Spitze Schritt 3 — Leitungsverlust pro MOSFET bei Nennstrom: Angenommen, R_DS (on) = 8 mΩ bei 100 °C (z. B. IRFB3207) P_Cond = I² × R_DS (an) = 10² × 0,008 = 0,8 W pro FET Insgesamt für 4 FETs (2 leitend zu einem beliebigen Zeitpunkt): 2 × 0,8 = 1,6 W Schritt 4 — Anforderungen an den Gate-Treiber: Q_g = 70 nC (typisch für diese FET-Klasse) Bei 20 kHz PWM, Gate-Antriebsleistung: p_G = Q_g × v_GS × f = 70e-9 × 12 × 20000 = 16,8 mW pro FET → vernachlässigbar Schritt 5 — Anforderung an die Wartezeit: t_dead > t_fall + margin = 50 ns + 20 ns = mindestens 70 ns (100 ns eingestellt) Ergebnis: 60 V/40 A MOSFETs mit R_DS (on) < 10 mΩ (z. B. IRFB3207, STP60NF06) sind geeignet. Fügen Sie einen dedizierten Gate-Treiber-IC (z. B. IR2104) mit Bootstrap-High-Side-Antrieb hinzu.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie einen dedizierten H-Bridge-Gate-Treiber-IC (z. B. DRV8876, L298N, IR2104) anstelle einer diskreten Logik — sie bieten Durchschlagschutz, Dead-Time-Insertion und ein geeignetes High-Side-Bootstrap-Laufwerk
  • ✓Platzieren Sie 100-nF-Keramik-Entkopplungskondensatoren so nah wie möglich an jeder MOSFET-Drainquelle, um Schalttransienten zu unterdrücken; fügen Sie einen großen Elektrolytstrom von 100—470 µF über die Versorgungsschienen hinzu
  • ✓Überprüfen Sie bei integrierten H-Brücken-ICs (L298N, DRV8833) den R_DS (on) der internen Schalter — viele integrierte Treiber haben einen Betriebswiderstand von 1—3 Ω, was bei Strömen über 2—3 A zu erheblichen Spannungsabfällen und Erwärmung führt

Häufige Fehler

  • ✗Auswahl von MOSFETs, die exakt auf die Versorgungsspannung ausgelegt sind — Spannungsspitzen beim Schalten der Motorinduktivität (L×DI/dt) übersteigen leicht die DC-Versorgungsspannung; mindern Sie V_DS immer auf mindestens 2×
  • ✗Ohne Flyback-Dioden (Freilaufdioden) — MOSFETs verfügen über Körperdioden, die während der Totzeit leiten, aber diskrete Schottky-Hochgeschwindigkeits-Schottky-Dioden reduzieren die Erholungszeit und die Schaltverluste in Hochstromanwendungen
  • ✗Verwendung eines einzigen gemeinsamen Gate-Widerstands für alle vier MOSFETs — jedes Gate benötigt seinen eigenen Widerstand, um parasitäre Schwingungen zu verhindern und eine unabhängige Abstimmung der Schaltgeschwindigkeit zu ermöglichen

Häufig gestellte Fragen

Ein Durchschlag tritt auf, wenn sowohl die High-Side- als auch die Low-Side-MOSFETs in demselben Brückenbein gleichzeitig eingeschaltet sind, wodurch ein Kurzschluss von der Versorgung zur Masse entsteht. Dies wird verhindert, indem zwischen dem Aus- und Einschalten eines FET eine Totzeit (typischerweise 50—200 ns) eingefügt wird. Moderne H-Bridge-Treiber-ICs implementieren Totzeiten automatisch.
Integrierte H-Brücken-ICs (DRV8876, TB6612FNG, L298N) eignen sich für Ströme bis zu 3—5 A und bieten integrierten Schutz. Für Motoren über 5 A bieten diskrete MOSFETs mit einem Gate-Treiber-IC einen niedrigeren R_DS (on), ein besseres Wärmemanagement und volle Flexibilität in Bezug auf Totzeit und Schaltgeschwindigkeit.
Gate-Drive-Verluste, der Ruhestrom des Treiber-ICs und Leckagen durch die Body-Dioden tragen alle zur Erwärmung im Leerlauf bei. Hochfrequenz-PWM bei hoher Einschaltdauer von fast 50% maximiert die Schaltverluste. Die Reduzierung der PWM-Frequenz auf das Minimum, das hörbare Geräusche vermeidet, reduziert in der Regel die Erwärmung des Fahrers erheblich.

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