Cálculo de las pérdidas de MOSFET en los controladores de motor de puente en H

Por qué importan las pérdidas de los conductores

Escogiste tus MOSFET, dibujaste el puente en H y ahora el motor gira. Se ve bien, ¿verdad? No tan rápido. La diferencia entre un controlador de motor que funciona en una mesa y uno que sobrevive en condiciones reales suele deberse al diseño térmico, y eso empieza por saber exactamente cuánta energía consume cada FET.

Las pérdidas del controlador del motor se dividen en dos categorías clave: pérdidas por conducción (calentamiento resistivo cuando el FET está encendido) y pérdidas por conmutación (energía desperdiciada durante cada transición de encendido/apagado). Si te equivocas en estos números, o sobrediseñarás tu disipador térmico y desperdiciarás un valioso espacio en la placa, o lo harás por debajo de las especificaciones y verás cómo tus FET aceleran térmicamente en el peor momento posible. La mayoría de los ingenieros se saltan los cálculos detallados de las pérdidas desde el principio y se arrepienten más adelante cuando, a las 3 de la mañana, antes de iniciar una demostración, solucionan problemas relacionados con la temperatura.

Analizaremos los cálculos matemáticos, veremos un ejemplo real con números reales que podrías ver en una aplicación de motor de corriente continua con escobillas y te mostraremos cómo obtener respuestas rápidamente con nuestra calculadora Disipación de potencia del controlador del motor.

Pérdida de conducción: el impuesto de estado estacionario

Cuando un MOSFET está completamente encendido, actúa como una pequeña resistencia, que se caracteriza por su $R_{DS(on)}$. Esta es la resistencia de encendido y, si bien es pequeña (a menudo solo unos pocos miliohmios en los FET de potencia modernos), nunca es cero. En un puente en H impulsado por PWM, el FET no funciona el 100% del tiempo, sino durante una fracción definida por el ciclo de trabajo $D$. La corriente RMS que pasa por el FET determina su pérdida de conducción:

Hay algo que hace tropezar a la gente constantemente: $R_{DS(on)}$ empeora con la temperatura. ¿Ese bonito valor tan bajo en la hoja de datos? Eso es a 25 °C. A 100 °C, se espera que sea entre 1,5 y 2 veces más alto, según la tecnología FET. Diseñe siempre con la resistencia «caliente», no con las especificaciones de temperatura ambiente. He visto demasiados diseños que se veían muy bien en papel a 25 °C, pero que se convertían en calefactores una vez que alcanzaban la temperatura de funcionamiento.

El término ciclo de trabajo tiene sentido si lo piensas bien: si solo conduces el motor con un ciclo de trabajo del 50%, el FET de lado alto solo funciona la mitad del tiempo en promedio. Un ciclo de trabajo más bajo significa una pérdida de conducción promedio más baja. Por eso, las pérdidas de conducción aumentan directamente en función de la intensidad con la que se conduce el motor.

Pérdida de conmutación: el impuesto a la velocidad

Cada transición de un MOSFET de apagado a encendido (o viceversa) implica un breve momento en el que tanto el voltaje como la corriente son altos. Durante esta transición, el FET se encuentra en su región lineal, ni completamente encendido ni completamente apagado. La pérdida de energía por transición se aproxima a:

El problema es que los tiempos de subida y bajada dependen del circuito de accionamiento de la puerta, del diseño de la PCB y de un montón de otras variables que son difíciles de precisar con precisión. En su lugar, una estimación práctica utiliza directamente la $Q_g$ del precio de entrada. Nuestra calculadora usa un modelo simplificado pero efectivo:

Esta fórmula captura la idea clave: la pérdida de conmutación se escala linealmente con la frecuencia de conmutación. ¿Aumentar la frecuencia de conmutación para eliminar el ruido audible o reducir la ondulación de salida? Solo recuerda que esto conlleva una verdadera penalización térmica. Duplique la frecuencia, duplique las pérdidas de conmutación. No hay comida gratis.

La carga de puerta $Q_g$ es esencialmente una medida de la cantidad de carga que se necesita bombear a la capacitancia de la puerta para cambiar el FET. Una carga de compuerta más baja significa una conmutación más rápida y menores pérdidas. Esta es la razón por la que los FET modernos anuncian sus valores bajos de $Q_g$: es un indicador directo de la eficiencia de la conmutación.

Ejemplo resuelto: controlador de motor DC cepillado de 24 V, 10 A

Analicemos las pérdidas para un escenario típico, algo que podría ocurrir al conducir un motor de corriente continua con escobillas de potencia media en una aplicación robótica o industrial:

Tenga en cuenta que aquí utilizamos el valor caliente de $R_{DS(on)}$: 8 miliohmios a 100 °C. La hoja de datos probablemente muestre algo así como 5 mΩ a 25 °C, pero estamos siendo realistas en cuanto a las condiciones de funcionamiento. Pérdida de conducción por FET:

Eso es 100 cuadrados multiplicados por 8 miliohmios multiplicados por un ciclo de trabajo de 0,75. Medio vatio no parece mucho, pero recuerda que tenemos cuatro FET en un puente H completo, y las cosas se acumulan rápidamente.

Pérdida de conmutación por FET:

A una frecuencia de conmutación de 20 kHz, las pérdidas de conmutación son relativamente modestas en comparación con las pérdidas de conducción. Pero observe lo que sucede cuando cambiamos esa frecuencia más adelante.

Pérdida total por FET: Pérdida total del puente (4 FET) :

Así que estamos disipando poco menos de 3 vatios en todo el puente. En un puente H típico, hay dos FET de lado alto y dos FET de lado bajo y, en un momento dado, un FET de lado alto y otro de lado bajo conducen (según la dirección del motor).

Eficiencia estimada del conductor:

La potencia del motor a un ciclo de trabajo del 75% con 24 V y 10 A es de aproximadamente 180 W (suponiendo que la contraelectromotriz y las pérdidas resistivas del motor se coman el resto). Así que:

No está mal. Pero fíjate en lo que ocurre si cuadruplicas la frecuencia de conmutación a 80 kHz para alejar el ruido PWM del rango audible: las pérdidas de conmutación aumentan a 0,48 W por FET, la pérdida total del puente sube a unos 4,3 W y se añade calor sin ningún beneficio en el rendimiento del motor. La eficiencia cae hasta situarse en torno al 97,7%. Es posible que ese vatio y medio extra no parezca mucho, pero en una carcasa con restricciones térmicas, es la diferencia entre un funcionamiento fiable y un apagado térmico.

Implicaciones del diseño

Conclusiones rápidas y prácticas que realmente importan en los diseños reales:

La pérdida de conducción domina a bajas frecuencias de conmutación. ¿Funciona entre 10 y 20 kHz? Concéntrese en los FET de $R_{DS(on)}$ bajos. Gastar un dólar más en un FET con la mitad de la resistencia activada le permitirá ahorrar mucho más en costes de gestión térmica. En nuestro ejemplo, las pérdidas por conducción fueron 5 veces más altas que las pérdidas por conmutación. La pérdida de conmutación se produce a altas frecuencias. Por encima de 50 kHz, la carga de puerta $Q_g$ se convierte en el parámetro crítico. Puedes tener el índice de frecuencia $R_{DS(on)}$ más bajo del mundo, pero si la carga de entrada es alta, consumirás vatios cada vez que cambies. Aquí es donde los sofisticados FET de GaN comienzan a brillar: su baja carga de entrada hace que las operaciones con alta frecuencia sean prácticas. El ciclo de trabajo afecta a la conducción, no a la conmutación. Las pérdidas de conmutación dependen de la frecuencia y la corriente de carga, punto. Ya sea que tenga un ciclo de trabajo del 25 o el 75%, seguirá cambiando a la misma velocidad, por lo que las pérdidas de conmutación se mantienen constantes. Sin embargo, las pérdidas por conducción aumentan con el ciclo de trabajo, ya que el FET permanece encendido durante una fracción más larga de cada ciclo. La reducción térmica es obligatoria. Nuestro ejemplo muestra 0,72 W por FET, algo manejable en teoría, pero reducido en espacios reducidos. Si está utilizando un paquete SOT-23 con una cantidad mínima de cobre, tendrá problemas. ¿Un SO-8 con una almohadilla expuesta y un vertido de cobre decente? Mucho más razonable. Compruebe siempre la resistencia térmica desde la unión hasta la temperatura ambiente para su paquete específico y su diseño de PCB.

Cuando los números se vuelven incómodos

Si las pérdidas de los puentes hacen que la temperatura de las uniones supere los límites seguros (y la mayoría de los MOSFET comienzan a no funcionar por encima de la temperatura de las uniones de 125 °C), tienes cuatro opciones:

$R_{DS(on)}$ inferior: elige un FET más grande con más área de silicio o coloca varios FET en paralelo. Dos FET en paralelo reducen las pérdidas de conducción a la mitad, aunque has duplicado las pérdidas de conmutación y el área de la placa. A veces ese intercambio tiene sentido. $Q_g$ más bajo**: cambie a un FET de conmutación más rápida con una carga de puerta más baja. Los modernos dispositivos MOSFET y GaN de superunión destacan en este aspecto. La desventaja es que suelen ser más caros y pueden ser más complicados en cuanto al diseño de las unidades de compuerta. Inferir $f_{sw}$ : reduzca la frecuencia de conmutación. Aceptarás más corriente ondulada en el motor o más ruido, pero los problemas térmicos suelen desaparecer. Pasar de 40 kHz a 20 kHz reduce las pérdidas de conmutación a la mitad. Mejor trayectoria térmica: utilice un paquete de almohadillas expuestas, diríjalo a planos de cobre más gruesos, añada un disipador térmico o mejore el flujo de aire. A veces, la respuesta no es un FET diferente, sino un mejor diseño mecánico. Unas pocas pulgadas cuadradas de cobre de 2 onzas pueden hacer maravillas.

Pruébalo tú mismo

Introduce tus parámetros reales en la calculadora Disipación de potencia del controlador del motor. Es la forma más rápida de comprobar la integridad de tu selección de FET antes de comprometerte con un diseño. Repite la frecuencia de conmutación, la selección del FET y el ciclo de trabajo hasta que tu presupuesto térmico tenga sentido. La calculadora le mostrará exactamente de dónde provienen sus pérdidas y le ayudará a hacer concesiones informadas. Es mucho mejor que descubrir que necesitas un rediseño después de ejecutar el primer prototipo.