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
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», tercera edición), un puente en H utiliza cuatro interruptores para avanzar, retroceder y frenar controlando la dirección de la corriente a través del motor. Parámetros de selección clave según las directrices del fabricante: clasificación V_DS ≥ 2 veces la tensión de alimentación (tiene en cuenta los picos de tensión inductiva), I_D continua ≥ 1,5 veces la corriente nominal del motor y R_DS (encendido) lo suficientemente baja como para limitar las pérdidas de conducción a un presupuesto térmico aceptable.
La reducción de tensión de los MOSFET es fundamental: según las directrices de fiabilidad de JEDEC, la tensión de tensión debe ser inferior al 80% de la clasificación V_DS para garantizar una fiabilidad 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 R_DS (encendido): los MOSFET de potencia modernos alcanzan de 1 a 10 mΩ a una potencia nominal de 30 a 60 V, lo que permite 10 A continuos con una pérdida de solo 0,1 W por FET. Pérdidas totales en puente H a 10 A: de 0,4 a 4 W para los MOSFET de calidad, frente a entre 30 y 40 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 tensión nominal 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 clasificación actual: Continuo: I_D ≥ 1,5 × 15 A = 22,5 A como mínimo Pico (pulsado): I_D_peak ≥ 45 A durante 0,5 s Seleccione MOSFET con una potencia nominal de 40 a 60 A en continuo y 120 A o más en pulsos
Paso 3: seleccione un MOSFET específico y calcule las pérdidas: IRFB4110 (100 V, 120 A, R_DS (encendido) = 3,7 mΩ a 25 °C, 5,5 mΩ a 100 °C) Pérdida de conducción a 15 A por FET (2 conductores): P_cond = 15² × 0,0055 × 2 = 2,48 W en total
Paso 4: Calcule los requisitos térmicos: IRFB4110 en TO-220: R_θJC = 0,65 °C/W Con el 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 controlador de puerta: Carga de compuerta 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 (100 V/120 A) con controladores de compuerta IR2104. La pérdida total de conducción de 2,5 W permite el funcionamiento sin disipación térmica a 15 A de forma continua. Agregue resistencias de compuerta de 47 Ω con un tiempo muerto de 100 ns para evitar que se produzcan disparos.
Consejos Prácticos
- ✓<10 mΩ R_DS (on) for >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 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 (típica de 10 a 47 Ω) 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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