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
Referencia: TI SLVA504, Calculating Motor Driver Power Dissipation
Cómo Funciona
Esta calculadora determina las clasificaciones de MOSFET y los requisitos del controlador de compuerta para los circuitos de control de motores de puente H. Los ingenieros de electrónica de potencia, los diseñadores de robótica y los fabricantes de vehículos eléctricos la utilizan para seleccionar componentes que manejan la corriente del motor con márgenes térmicos y de voltaje adecuados. El diseño adecuado del puente en H evita fallos catastróficos y garantiza un control bidireccional fiable del motor.
Según los fundamentos de la electrónica de potencia (Mohan, «Power Electronics», 3a ed.), un puente en H utiliza cuatro interruptores para permitir el avance, la marcha atrás y el frenado al controlar la dirección de la corriente a través del motor. Los parámetros clave de selección se ajustan a las directrices del fabricante: V_DS nominal ≥ 2 veces la tensión de alimentación (teniendo en cuenta los picos de tensión inductiva), I_D continua ≥ 1,5 veces la corriente nominal del motor y R_DS(on) lo suficientemente bajo como para limitar las pérdidas de conducción a un presupuesto térmico aceptable.
La reducción de voltaje del MOSFET es fundamental: según las pautas de confiabilidad de JEDEC, la tensión de voltaje debe ser inferior al 80% de la clasificación V_DS para una confiabilidad a largo plazo. Un sistema de motor de 24 V con picos inductivos que alcancen una alimentación de 1,5 veces mayor requiere MOSFET con una potencia de ≥ 60 V (24 × 1,5 ÷ 0,80 = 45 V como mínimo; utilice la siguiente clasificación estándar). Las pérdidas por conducción se escalan con los MOSFET de potencia modernos de R_DS(on): que alcanzan de 1 a 10 mΩ a una potencia nominal de 30 a 60 V, lo que permite 10 A continuos con solo una pérdida de 0,1 a 1 W por FET. Pérdidas totales en puente H a 10 A: de 0,2 a 2 W para los MOSFET de calidad, frente a entre 60 y 100 W para los controladores integrados con conmutadores internos de 300 a 500 mΩ.
Ejemplo Resuelto
Diseña un puente en H para el controlador del acelerador de una bicicleta eléctrica de 36 V. Especificaciones del motor: potencia nominal de 500 W, 15 A continuos, 45 A de entrada máxima durante 0,5 segundos.
Paso 1: Determine la clasificación de voltaje del MOSFET: Estimación del pico inductivo: 1,5 × suministro = 54 V Con una reducción del 80%: V_DS_min = 54 / 0.80 = 67,5 V Seleccione MOSFET con clasificación nominal de 80 V o 100 V (valores estándar)
Paso 2: Determine la especificación de corriente: Continuo: I_D ≥ 1.5 × 15A = 22,5 A como mínimo Pico (pulsado): I_D_peak ≥ 45A durante 0,5 s Seleccione MOSFET con una potencia nominal de 40 a 60 A en continuo y más de 120 A en pulsos
Step 3 — Select specific MOSFET and calculate losses: IRFB4110 (100V, 120A, R_DS(on) = 3.7 mΩ at 25°C, 5.5 mΩ at 100°C) Conduction loss at 15A per FET (2 conducting): P_cond = 15² × 0.0055 × 2 = 2.48W total
Paso 4: Calcular los requisitos térmicos: IRFB4110 en TO-220: R_θJC = 0,65 °C/W Con disipador térmico R_θCS = 0,5°C/W, R_θSA = 2°C/W: R_θJA_total = 0.65 + 0.5 + 2 = 3,15°C/W por FET ΔT por FET: 1,24 W × 3,15 = 3,9 °C de aumento: excelente
Paso 5: Seleccione el conductor de la puerta: Carga de puerta Q_g = 150 nC, a 20 kHz: I_gate_avg = Q_g × f = 3 mA Corriente máxima de compuerta para una conmutación de 50 ns: I_peak = Q_g / t = 3A Seleccione un controlador de medio puente IR2104 o similar con una capacidad máxima de transmisión de 0,5 a 1 A
Resultado: MOSFET IRFB4110 (100V/120A) con controladores de puerta IR2104. La pérdida total de conducción de 2,5 W permite el funcionamiento sin disipación térmica a 15 A de forma continua. Añada resistencias 47Ω Gate con un tiempo de inactividad de 100 ns y resistencias 47Ω Gate para evitar que se produzcan disparos.
Consejos Prácticos
- ✓Según las notas de aplicación de Texas Instruments, utilice circuitos integrados de controlador de puente en H (DRV8876, DRV8874) para motores de menos de 5 A, donde la comodidad supera a la eficiencia; MOSFET discretos con <10 mΩ R_DS(on) para motores de más de 5 A, donde la ganancia de eficiencia del 5 al 10% es importante
- ✓Coloque condensadores cerámicos de 100 nF a 10 mm de cada fuente de drenaje MOSFET según las directrices de EMC para suprimir los transitorios de conmutación de 10 a 100 MHz; añada electrolíticos de 100 a 470 µF a través del bus de corriente continua para obtener energía de entrada
- ✓Implemente un tiempo muerto de 50 a 200 ns entre el lado alto apagado y el lado bajo encendido según las especificaciones de desactivación del MOSFET: el IR2104 y controladores similares incluyen la inserción automática del tiempo muerto
Errores Comunes
- ✗Selección de los MOSFET con el voltaje de suministro exacto: según JEDEC, el contragolpe inductivo alcanza entre 1,5 y 2 veces el voltaje de suministro; un sistema de 24 V necesita un mínimo de MOSFET de 60 V; los MOSFET de 48 V fallarán debido a la tensión de voltaje en semanas o meses
- ✗Omitir los diodos de circulación libre en construcciones discretas: los diodos de cuerpo MOSFET conducen durante el tiempo muerto, pero tienen una recuperación inversa lenta (50 a 200 ns); añada diodos Schottky externos para corrientes superiores a 10 A para reducir las pérdidas de conmutación entre un 20 y un 40%
- ✗Uso de una resistencia de puerta única para los cuatro MOSFET: cada puerta necesita una resistencia individual ( (10-47Ω típica) para evitar la oscilación parásita y permitir un ajuste independiente según las pautas del controlador de puerta de Infineon.
Preguntas Frecuentes
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