Selección de MOSFET H-Bridge
Calcule los requisitos de MOSFET de puente H, incluidos los picos de corriente, las pérdidas de conducción y la corriente nominal mínima para los controladores de motores de corriente continua.
Fórmula
I_peak = I_rated × k, P_cond = I²× R_DS(on)
Cómo Funciona
Un puente en H es un circuito de alimentación que consta de cuatro interruptores (normalmente MOSFET) dispuestos para permitir la corriente bidireccional a través de un motor de corriente continua. Al encender los pares diagonales, el puente impulsa la corriente en cualquier dirección, lo que permite avanzar, retroceder y frenar. Los parámetros clave de selección son: corriente de drenaje continua (I_D) ≥ 1,5 veces la corriente nominal del motor, tensión nominal de la fuente de drenaje (V_DS) ≥ 2 veces la tensión de alimentación, resistencia en estado encendido (R_DS (on)) para minimizar las pérdidas de conducción y carga de puerta (Q_g) compatible con la capacidad de conducción del conductor de puerta.
Ejemplo Resuelto
Seleccione los MOSFET para un puente en H que accione un motor continuo de 24 V y 10 A con una entrada máxima de 30 A. Paso 1 — Tensión nominal (reducción de 2 veces): V_DS ≥ 2 × 24 = 48 V → utilice MOSFET con clasificación de 60 V Paso 2 — Corriente nominal (1,5 veces de corriente continua + pico de manivela): I_d_cont ≥ 1,5 × 10 = 15 A en continuo I_d_peak ≥ 30 A (para entrada) → Seleccione un MOSFET con una clasificación continua de 40 A y un pico de 100 A Paso 3 — Pérdida de conducción por MOSFET a corriente nominal: Suponga que R_DS (on) = 8 mΩ a 100 °C (p. ej., IRFB3207) P_cond = I² × R_DS (encendido) = 10² × 0,008 = 0,8 W por FET Total para 4 FET (2 de los cuales conducen en cualquier momento): 2 × 0,8 = 1,6 W Paso 4: requisito del controlador de puerta: Q_g = 70 nC (típico de esta clase de FET) Con un PWM de 20 kHz, potencia de accionamiento de compuerta: P_g = Q_g × v_GS × f = 70e-9 × 12 × 20000 = 16,8 mW por FET → insignificante Paso 5 — Requisito de tiempo muerto: t_dead > t_fall + margin = 50 ns + 20 ns = 70 ns como mínimo (establece 100 ns) Resultado: son adecuados los MOSFET de 60 V/40 A con R_DS (encendido) < 10 mΩ (p. ej., IRFB3207, STP60NF06). Añada un circuito integrado de controlador de compuerta dedicado (p. ej., el IR2104) con una unidad de arranque de alta potencia.
Consejos Prácticos
- ✓Utilice un circuito integrado de controlador de puerta de puente en H dedicado (por ejemplo, DRV8876, L298N, IR2104) en lugar de una lógica discreta: brindan protección contra disparos, inserción en tiempo muerto y una unidad de arranque adecuada de alta velocidad
- ✓Coloque los condensadores de desacoplamiento cerámicos de 100 nF lo más cerca posible de cada fuente de drenaje MOSFET para suprimir los transitorios de conmutación; añada un electrolítico masivo de 100 a 470 µF a través de los rieles de suministro
- ✓Para los circuitos integrados de puente H (L298N, DRV8833), compruebe el R_DS (encendido) de los conmutadores internos; muchos controladores integrados tienen una resistencia de 1 a 3 Ω de encendido, lo que provoca una caída de tensión significativa y un calentamiento en corrientes superiores a 2 a 3 A
Errores Comunes
- ✗Elección de los MOSFET con una clasificación exacta a la tensión de alimentación: los picos de tensión derivados de la conmutación por inductancia del motor (L × di/dt) superan fácilmente la tensión de alimentación de corriente continua; siempre reduce el V_DS a al menos 2 veces
- ✗Omitiendo los diodos de retroceso (movimiento libre): los MOSFET tienen diodos corporales que conducen durante el tiempo muerto, pero los diodos Schottky discretos de alta velocidad reducen el tiempo de recuperación y las pérdidas de conmutación en aplicaciones de alta corriente
- ✗Uso de una sola resistencia de puerta compartida para los cuatro MOSFET: cada puerta necesita su propia resistencia para evitar la oscilación parásita y permitir un ajuste independiente de la velocidad de conmutación
Preguntas Frecuentes
¿Qué es el tiroteo y cómo puedo evitarlo?
El disparo se produce cuando los MOSFET del lado alto y del lado bajo del mismo tramo del puente están encendidos simultáneamente, lo que crea un cortocircuito desde el suministro hasta la tierra. Se evita introduciendo un tiempo muerto (normalmente de 50 a 200 ns) entre la desactivación de un FET y la activación del otro. Los circuitos integrados de controladores H-bridge modernos implementan automáticamente el tiempo muerto.
¿Cuándo debo usar un circuito integrado de puente en H frente a un MOSFET discreto?
Los circuitos integrados de puente H integrados (DRV8876, TB6612FNG, L298N) son prácticos para corrientes de hasta 3 a 5 A y brindan protección integrada. Para motores de más de 5 A, los MOSFET discretos con un circuito integrado de controlador de compuerta ofrecen un menor R_DS (encendido), una mejor gestión térmica y una flexibilidad total en cuanto al tiempo muerto y la velocidad de conmutación.
¿Por qué se calienta mi puente en H incluso cuando el motor no está funcionando?
Las pérdidas en el accionamiento de la compuerta, la corriente de reposo del circuito integrado del controlador y las fugas a través de los diodos de la carrocería contribuyen al calentamiento en ralentí. El PWM de alta frecuencia con un ciclo de trabajo elevado de casi el 50% maximiza las pérdidas de conmutación. La reducción de la frecuencia PWM al mínimo que evite el ruido audible normalmente reduce considerablemente el calentamiento del conductor.
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