¿Cuánta energía está desperdiciando su puente en H? Calcular las pérdidas de MOSFET en los controladores de motor

Por qué importan las pérdidas de los conductores

Has elegido tus MOSFET, has diseñado tu puente en H y el motor gira. ¿Trabajo hecho? No del todo. La diferencia entre un controlador de motor que funciona de sobremesa y uno que sobrevive en la producción suele deberse al diseño térmico, y el diseño térmico comienza por saber exactamente cuánta energía disipa cada FET.

Las pérdidas producidas por los motores se dividen en dos categorías: pérdidas por conducción (calentamiento resistivo mientras el FET está encendido) y pérdidas por conmutación (energía consumida durante cada transición de encendido/apagado). Si te equivocas en estos números, o sobrepasarás las especificaciones del disipador térmico y el espacio de la placa de desecho, o harás que tus FET se apaguen térmicamente en el peor momento posible.

Analicemos los cálculos matemáticos, analicemos un ejemplo real y te mostremos cómo obtener respuestas en segundos con nuestra calculadora [abre la disipación de potencia del controlador del motor] (https://rftools.io/calculators/motor/motor-driver-power/).

Pérdida por conducción: el impuesto de estado estacionario

Cuando un MOSFET está completamente encendido, se comporta como una pequeña resistencia: es$R_{DS(on)}$. En un puente en H impulsado por PWM, el FET no está encendido el 100% del tiempo, sino una fracción del período definido por el ciclo de trabajo$D$. La corriente RMS que pasa por el FET durante su funcionamiento determina la pérdida de conducción:

Esto es por FET. En un puente H típico, dos FET conducen simultáneamente (uno en el lado alto y otro en el lado bajo), por lo que la pérdida total de conducción a través del puente es$2 \times P_{cond}$durante el accionamiento activo, pero durante la conducción libre (recirculación), diferentes FET transportan la corriente. En un puente completo con PWM continuo, normalmente se tienen en cuenta los cuatro FET, y cada par comparte el ciclo de trabajo y su complemento.

Un error clave:$R_{DS(on)}$aumenta con la temperatura. El valor de la hoja de datos suele ser de 25 °C. A una temperatura de unión de 100 °C, se espera que sea entre 1,5 y 2 veces mayor. Diseñe siempre con la mejor relación calidad-precio.

Pérdida de conmutación: el impuesto a la velocidad

Cada vez que un MOSFET pasa de estar apagado a encendido (o viceversa), pasa brevemente por su región lineal, donde tanto el voltaje como la corriente son altos simultáneamente. La pérdida de energía por transición es aproximadamente:

Una forma práctica de estimar$t_{rise}$y$t_{fall}$cuando conoces la carga de la puerta$Q_g$y la corriente del controlador de la puerta es usar directamente$Q_g$. La calculadora usa un modelo simplificado pero efectivo:donde$f_{sw}$es la frecuencia de conmutación de PWM. Esto aumenta linealmente con la frecuencia, por lo que subir el nivel de$f_{sw}$para que el ruido audible supere los 20 kHz tiene un coste térmico real.

Ejemplo resuelto: controlador de motor de corriente continua con escobillas de 24 V y 10 A

Vamos a evaluar las pérdidas para un escenario bastante común:

Pérdida de conducción por FET: Pérdida de conmutación por FET: Pérdida total por FET: Pérdida total del puente (4 FET) :

En un puente en H completo, dos FET se conmutan de forma activa y dos transportan corriente continua. La disipación total del puente suma las cuatro contribuciones. Para este caso simétrico:

Eficiencia estimada del conductor:

El motor recibe$V_{supply} \times I_{RMS} \times D = 24 \times 10 \times 0.75 = 180$W de energía eléctrica. La estimación de eficiencia es:

Eso es bastante bueno, y demuestra por qué los FET bajos de$R_{DS(on)}$a frecuencias de conmutación moderadas son tan populares en los accionamientos motorizados. Pero fíjese en lo que ocurre si cuadruplica$f_{sw}$hasta 80 kHz para eliminar cualquier rastro de ruido acústico: las pérdidas de conmutación aumentan a 0,48 W por FET, la pérdida total del puente sube a 4,32 W y se añade un 50% más de calor sin beneficio para el motor.

Implicaciones de diseño

Algunas conclusiones prácticas de este análisis:

• La pérdida de conducción domina a frecuencias de conmutación bajas. Si trabajas a entre 10 y 20 kHz, centra tu presupuesto en los FET$R_{DS(on)}$bajos.
• La pérdida de conmutación es predominante en las frecuencias altas. Por encima de los 50 kHz, la carga de compuerta$Q_g$se convierte en el parámetro fundamental. Busque los FET optimizados para cambiar de figura de mérito ($R_{DS(on)} \times Q_g$).
• El ciclo de trabajo es importante para la conducción, no para la conmutación. Las pérdidas de conmutación dependen de la frecuencia y la corriente de carga, no del ciclo de trabajo.
• La reducción térmica no es negociable. Nuestro ejemplo arroja 0,72 W por FET. En un paquete SOT-23 o PowerPak con$R_{\theta JA} = 50$°C/W, se trata de un aumento de 36 °C con respecto a la temperatura ambiente, algo manejable, pero se endurece rápidamente si se restringe el flujo de aire.

Cuando los números se vuelven incómodos

Si la calculadora muestra pérdidas en los puentes que hacen que la temperatura de la unión supere los 125 °C (o lo que sea el máximo nominal de tu FET), tienes cuatro opciones:

1. Inferior$R_{DS(on)}$: FET más grande o FET paralelo
2. Inferior$Q_g$: FET que cambia más rápido (a menudo se contrasta con$R_{DS(on)}$)
3. Baje el valor$f_{sw}$: acepte más ondulaciones o ruidos audibles
4. Mejor trayectoria térmica: almohadilla expuesta, cobre más grueso, disipador térmico, aire forzado

La calculadora te permite repetir todo esto en segundos, y ese es exactamente el punto.

Pruébalo

Conecta la corriente real del motor, la tensión de alimentación y los parámetros FET a la calculadora [abre la disipación de potencia del controlador del motor] (https://rftools.io/calculators/motor/motor-driver-power/) y comprueba exactamente a dónde van tus vatios. Es la forma más rápida de comprobar la solidez de tu selección de FET y tu diseño térmico antes de decidirte a diseñar una PCB. Repite$R_{DS(on)}$,$Q_g$y cambia de frecuencia hasta que los números hagan feliz a tu ingeniero térmico o, al menos, deje de fruncir el ceño.