Disipación de potencia del controlador del motor
Calcule la disipación de potencia del IC del controlador del motor o del MOSFET discreto, incluida la pérdida de conducción y la pérdida de conmutación a una frecuencia PWM determinada.
Fórmula
P_cond = I² × R_DS × D, P_sw = f × Qg × V
Cómo Funciona
La disipación de potencia en un circuito integrado de un controlador de motor consiste en pérdidas de conducción (I² × R_DS (encendido) × ciclo de trabajo) y pérdidas de conmutación (proporcionales a V × I × frecuencia de conmutación). A frecuencias de PWM bajas, predominan las pérdidas de conducción; a frecuencias altas, predominan las pérdidas de conmutación. La temperatura de la unión debe mantenerse por debajo de la clasificación máxima del circuito integrado: T_j = T_ambient + P_disipated × R_θja (resistencia térmica entre la unión y el ambiente). Si se supera T_j_max, se produce un apagado térmico y se producen interrupciones intermitentes del motor.
Ejemplo Resuelto
Un circuito integrado de controlador de motor DRV8876 (R_DS (encendido) = 565 mΩ en total en el lado alto+bajo, R_θja = 35 °C/W) acciona un motor de 12 V a un ciclo de trabajo continuo de 3 A y del 80%. La temperatura ambiente es de 40 °C. Paso 1 — Pérdida de conducción: P_cond = I² × R_DS (encendido) × D = 3² × 0,565 × 0,80 = 4,07 W Paso 2 — Pérdida de conmutación (supongamos que F_pwm = 20 kHz, t_sw = 100 ns): p_SW ≈ V × I × t_sw × f = 12 × 3 × 100e-9 × 20000 = 0,072 W (insignificante en este caso) Paso 3 — Disipación total: P_total = 4,07 + 0,07 = 4,14 W Paso 4 — Temperatura de unión: T_j = T_amb + P × R_θJA = 40 + 4,14 × 35 = 40 + 144,9 = 184,9 °C Paso 5 — T_j máximo para DRV8876 = 150 °C → SUPERADO Solución: reduzca la corriente del motor a 2 A o añada una almohadilla térmica al vertido de cobre en PCB. A 2 A: P_cond = 2² × 0,565 × 0,80 = 1,81 W → T_j = 40 + 1,81 × 35 = 103,4 °C ✓ Resultado: a 3 A, este controlador se sobrecalienta al aire libre a 40 °C. Reduzca la potencia a 2 A, o utilice un colador de cobre o un disipador de calor externo para reducir el R_θja.
Consejos Prácticos
- ✓Exponga la almohadilla térmica de la parte inferior de los paquetes de controladores de motor QFN/DFN y suéldela a un vertido de cobre con al menos 4 vías térmicas al plano de tierra de la capa opuesta.
- ✓Mida la temperatura del circuito integrado del controlador con un termómetro de infrarrojos durante la prueba inicial de encendido: una temperatura de la superficie superior a 80 °C indica una refrigeración insuficiente y requiere una mejora en el diseño de la PCB
- ✓Para un funcionamiento continuo o de ciclo de trabajo elevado, seleccione un controlador de motor con rectificación síncrona (MOSFET de lado bajo con movimiento libre en lugar de diodo corporal) para reducir a la mitad las pérdidas de conducción en movimiento libre
Errores Comunes
- ✗Si se utiliza el valor mínimo de R_θja (unión con el ambiente) de la hoja de datos sin tener en cuenta el área de cobre de la PCB, una gran cantidad de cobre puede reducir el R_θja efectivo entre un 30 y un 50%
- ✗Ignorar el ciclo de trabajo al calcular las pérdidas por conducción: las pérdidas por conducción aumentan con el ciclo de trabajo, por lo que un motor al ralentí con un ciclo de trabajo del 20% disipa solo 1/4 de la potencia del ciclo de trabajo del 80% con la misma corriente
- ✗Calcular la disipación de potencia a la corriente nominal sin tener en cuenta la corriente de funcionamiento real: los motores rara vez consumen corriente nominal de forma continua; utilice la corriente RMS para una estimación precisa de las pérdidas
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre la resistencia térmica de R_θJA y R_θJC?
R_θja es la resistencia de unión con el ambiente, es decir, la trayectoria térmica total desde la matriz hasta el aire circundante. R_θJC es la resistencia entre la unión y la caja, es decir, el recorrido desde la matriz hasta la superficie del paquete. Utilice R_θja para realizar cálculos al aire libre sin un disipador de calor. Utilice R_θJC más una resistencia de disipación térmica independiente para los paquetes refrigerados externamente. En el caso de los circuitos integrados con almohadillas térmicas expuestas, el área de cobre de la PCB determina en gran medida el R_θJA efectivo.
¿Cómo puedo reducir la disipación de energía del circuito integrado del controlador del motor?
Menor R_DS (activado): elija un controlador con una resistencia de encendido más baja o utilice MOSFET discretos. Reduzca la corriente: utilice una caja de cambios para reducir la corriente del motor con el mismo par de salida. Reduzca el ciclo de trabajo: opere a una velocidad promedio más baja. Mejore la refrigeración: aumente el área de vertido de cobre en los PCB, añada vías a las capas internas o coloque un disipador térmico.
¿Por qué se calienta el controlador de mi motor incluso con corrientes de motor bajas?
Con cargas de motor bajas, las pérdidas de conmutación pueden dominar si la frecuencia PWM es muy alta. La corriente de reposo y las pérdidas de carga del condensador de arranque también son gastos fijos. Además, si el motor está parado (alta corriente a velocidad cero), toda la energía se calienta sin salida mecánica. Compruebe si el motor está realmente funcionando o se ha detenido durante el calor.
Shop Components
Affiliate links — we may earn a commission at no cost to you.
Related Calculators
Motor
H-Bridge
Calculate H-bridge MOSFET requirements including peak current, conduction losses, and minimum current rating for DC motor drivers.
Power
MOSFET Power Loss
Calculate MOSFET conduction loss, switching loss, total power dissipation, junction temperature, and efficiency for power electronics design
Motor
Motor Efficiency
Calculate motor efficiency, power losses, and heat dissipation from electrical input and mechanical output measurements.
Motor
DC Motor
Calculate DC motor speed, torque, power, and efficiency from electrical parameters
Motor
Stepper Motor
Calculate stepper motor speed, step frequency, and travel per revolution
Motor
BLDC Motor
Calculate brushless DC motor no-load RPM, stall torque, maximum efficiency, input power, and propeller thrust from Kv rating and electrical parameters