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Motor

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.

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Fórmula

Pbridge=2⋅I2⋅RDS+V⋅I⋅tsw⋅f,PFET=max(I2⋅RDS,I2⋅RDS⋅D+V⋅I⋅tsw⋅f),Pgate=2⋅Qg⋅V⋅fP_bridge = 2·I²·R_DS + V·I·t_sw·f, P_FET = max(I²·R_DS, I²·R_DS·D + V·I·t_sw·f), P_gate = 2·Qg·V·f

Referencia: TI SLVA504A, Calculating Power Dissipation for a H-Bridge or Half Bridge Driver (A. Gopalan, 2012, revised 2021), Table 1-1 and eqs. 1-2; International Rectifier AN-1070 (J. Cerezo), P_GATE

R_DS— Resistencia en conducción (Ω)
Qg— Carga de puerta (nC)
t_sw— Tiempo de transición del FET con conmutación dura (ns)
D— Ciclo de trabajo de PWM
P_bridge— Pérdida en los cuatro FET del puente (W)
P_gate— Pérdida de excitación de puerta, disipada en el controlador (W)

Cómo Funciona

Esta calculadora determina la disipación de energía y la temperatura de uniónen los circuitos integrados de los controladores del motor a partir de los parámetros de resistencia de encendido, frecuencia de conmutación y resistencia térmica. Los diseñadores de PCB, los ingenieros de sistemas integrados y los analistas térmicos la utilizan para verificar que los circuitos integrados de los controladores se mantengan dentro de la temperatura de funcionamiento segura. Al superar la [temperatura de unión] máxima del(/calculators/thermal/junction-temperature/), se produce un apagado térmico (normalmente entre 150 y 175 °C) y se producen interrupciones intermitentes del motor.

Según TI SLVA504A, la disipación del controlador consiste en pérdidas de conducción y pérdidas de conmutación: P_total = P_cond + P_sw. En un puente en H con recirculación síncrona, dos FET conducen la corriente del motor en todo momento (uno del lado alto y otro del lado bajo), así que la pérdida de conducción del puente es P_cond = 2 × I² × R_DS(on) con cualquier ciclo de trabajo D; si R_DS(on) se da como la suma del lado alto y el lado bajo, como hacen muchos circuitos integrados de control, eso es I² × R_DS(on). Un FET conmuta de forma dura en cada periodo: P_sw ≈ 0.5 × V × I × (t_rise + t_fall) × f_sw. La carga de puerta cuesta además 2 × Q_g × V × f_sw en el excitador de puerta (IR AN-1070). En los controladores de motor típicos de 3 A a 20 kHz predominan las pérdidas de conducción (de 2 a 5 W frente a 0,1 a 0,3 W de conmutación).

Temperatura de unióncálculo según JEDEC JESD51: T_j = T_ambient + P_total × R_θJA. La R_θJA especificada por el fabricante presupone un mínimo de cobre PCB (1 in² según el estándar JEDEC). Gracias a un diseño térmico optimizado (PCB de 4 capas, vías térmicas y gran cantidad de cobre), la R_θJA efectiva se reduce entre un 30 y un 50%. El DRV8876 (R_DS(on) = 565 mΩ, R_θJA = 35°C/W de Texas Instruments, con una potencia continua de 3 A, disipa 5,1 W y alcanza una unión de 178 °C en aire libre, superando su máximo de 150 °C. El diseño térmico adecuado de la placa de circuito impreso reduce la R_θJA a 20-25 °C/W, lo que permite un funcionamiento seguro de 127 a 152 °C.

Ejemplo Resuelto

Verifique el comportamiento térmico de un DRV8833 con dos puentes en H que acciona dos motores de 12 V/1,5 A. Especificaciones del circuito integrado: R_DS(on) = 320 mΩ (lado alto + lado bajo, por puente en H), R_θJA = 42°C/W (TSSOP-16), T_j max = 150 °C. La frecuencia de PWM es de 25 kHz y el ciclo de trabajo del 75%.

Paso 1: Calcule las pérdidas de conducción por canal: P_cond = I² × R_DS(on) = 1.5² × 0.320 = 0,72 W por canal (dos FET conducen la corriente con cualquier ciclo de trabajo, así que D no interviene) Total para el doble puente en H: 0,72 × 2 = 1,44 W

Paso 2: Estime las pérdidas de conmutación: Suponiendo t_sw = 50 ns de subida + 50 ns de bajada, un FET con conmutación dura por canal: P_sw = 0.5 × 12 × 1.5 × (100e-9) × 25000 × 2 canales = 0,045 W (insignificante)

Paso 3: Calcule la disipación total: P_total = 1.44 + 0.045 + 0.02 (reposo) = 1,51 W

Paso 4: Determine la temperatura de unión a 40 °C de temperatura ambiente: T_j = T_amb + P × R_θJA = 40 + 1.51 × 42 = 103,4 °C Margen hasta el límite: 150 - 103,4 = 46,6 °C — aceptable

Paso 5: Calcule la corriente máxima permitida: P_max para 150 °C con 40 °C de temperatura ambiente: (150-40)/42 = 2,62 W I_max = √(P_max / (R_DS(on) × 2)) = √(2.62/(0.32×2)) = 2,02 A por canal

Resultado: con 1,5 A por motor, la unión alcanza 103 °C con cualquier ciclo de trabajo, dentro de los límites. El controlador admite hasta 2,0 A por canal antes del apagado térmico a 40 °C de temperatura ambiente. Añadir vías térmicas (R_θJA baja a 30 °C/W) permite funcionar a 2,4 A. En la calculadora, con R_DS(on) = 0,160 Ω por FET y una transición de 50 ns, un canal da 0,7425 W: 0,72 W de conducción más 0,0225 W de conmutación.

Consejos Prácticos

  • ✓Según las pautas de diseño de Texas Instruments, exponga las almohadillas térmicas de los paquetes QFN/DFN y conéctelas con al menos 9 vías térmicas (0,3 mm de diámetro) al plano interior del suelo; esto reduce el R_θJA entre un 30 y un 40%
  • ✓Mida la temperatura de la superficie del circuito integrado con un termómetro infrarrojo durante la prueba inicial: una superficie superior a 85 °C indica que la unión está cerca de los límites; una superficie superior a 100 °C requiere un rediseño inmediato de la PCB según las pautas de confiabilidad
  • ✓Para corrientes superiores a 5 A, considere los MOSFET discretos (R_DS(on) < 10 mΩ (disponibles en el TO-220) en lugar de los controladores integrados (entre 50 y 500 mΩ (típico); los FET externos disipan entre 10 y 50 veces menos energía con la misma corriente

Errores Comunes

  • ✗Usar solo R_θJA de la hoja de datos sin tener en cuenta el PCB: según JEDEC JESD51, el R_θJA se mide con un mínimo de cobre; un PCB de 4 capas con vías térmicas y plano de tierra reduce el R_θJA efectivo entre un 30 y un 50%, lo que permite una corriente 1,5 veces más alta
  • ✗Escalar la pérdida de conducción con el ciclo de trabajo: con recirculación síncrona, la corriente del motor pasa por dos FET también durante el tiempo de apagado, así que la pérdida de conducción de un puente en H es 2 × I² × R_DS(on) con cualquier ciclo de trabajo (TI SLVA504A): un controlador que se calienta al 90% de ciclo de trabajo se calienta igual al 50% si la corriente del motor es la misma
  • ✗Calcular la potencia máxima en lugar de la media: según la dinámica térmica, la temperatura de la unión responde a la potencia promedio (la constante de tiempo térmica es de 10 a 100 ms); utilice la corriente RMS para un análisis térmico preciso en aplicaciones de PWM

Preguntas Frecuentes

Según JEDEC JESD51: R_θJA (unión con el ambiente) es la ruta térmica completa desde la matriz hasta el aire circundante, que se utiliza para los cálculos de convección natural. R_θJC (unión a caja) solo cubre la superficie desde la matriz hasta la superficie del paquete y se usa con disipadores térmicos externos en los que se controla T_case . Para los paquetes con almohadillas expuestas, R_θJC suele ser de 2 a 10 °C/W, mientras que R_θJA es de 30 a 80 °C/W. Con un buen disipador térmico, la conexión eficaz con el ambiente se aproxima a R_θJC + R_θheatsink, , por lo general, de 5 a 15 °C/W.
Cuatro estrategias por cada controlador de motor notas de aplicación: (1) Select lower R_DS(on) driver or discrete MOSFETs—reducing R_DS(on) from 500 mΩ to 50 mΩ cuts conduction loss 10×; (2) Use lower PWM frequency (5-10 kHz) to reduce switching losses by 50-75%; (3) Reduce motor current via gearing—a 10:1 gearbox allows 1/10th motor current at same output torque; (4) Optimize duty cycle—run motor at voltage producing desired speed rather than PWM modulating full voltage.
Según las guías de solución de problemas, hay tres causas comunes: (1) El motor se detiene, incluso con un comando bajo, la corriente de parada = V/R_winding 0, que puede ser de 5 a 10 veces la corriente de funcionamiento; (2) la alta frecuencia de PWM con baja inductancia del motor aumenta la ondulación de la corriente y la corriente RMS por encima de la media; (3) Durante las transiciones en tiempo muerto: un tiempo muerto inadecuado provoca breves cortes de suministro en cada ciclo de PWM, lo que añade pérdidas fijas independientemente de la carga del motor. Compruebe la corriente real del motor con una sonda de corriente, no solo con una señal de comando.

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