Quelle est la quantité d'énergie gaspillée par votre pont en H ? Calcul des pertes de MOSFET dans les pilotes de moteurs

Pourquoi les pertes de conducteurs de moteurs sont importantes

Vous avez choisi vos MOSFET, disposé votre pont en H et le moteur tourne. Le travail est terminé ? Pas tout à fait. La différence entre un pilote de moteur qui fonctionne sur le banc et un autre qui survit en production réside souvent dans la conception thermique, et la conception thermique commence par la détermination exacte de la quantité de puissance dissipée par chaque FET.

Les pertes du pilote moteur se répartissent en deux catégories distinctes : les pertes de conduction (échauffement résistif lorsque le FET est activé) et les pertes de commutation (énergie brûlée lors de chaque transition activation/désactivation). Si vous vous trompez dans ces chiffres, vous surdimensionnerez votre dissipateur thermique et vous perdrez de l'espace sur la carte, ou vous les sous-dimensionnerez et vous verrez vos FET s'arrêter thermiquement au pire moment possible.

Décomposons les calculs, examinons un exemple concret et montrons comment obtenir des réponses en quelques secondes à l'aide de notre calculateur [ouvrez la dissipation de puissance du pilote du moteur] (https://rftools.io/calculators/motor/motor-driver-power/).

Perte de conduction : l'impôt stable

Chaque fois qu'un MOSFET est complètement activé, il se comporte comme une petite résistance : son « MATHINLINE_8 ». Dans un pont en H piloté par PWM, le FET n'est pas activé 100 % du temps ; il est activé pendant une fraction de la période définie par le cycle de service « MATHINLINE_9 ». Le courant RMS traversant le FET pendant son temps de fonctionnement détermine la perte de conduction :

« MATHBLOCK_0 »

C'est par FET. Dans un pont en H typique, deux FET sont conducteurs simultanément (un côté haut, un côté bas), de sorte que la perte de conduction totale à travers le pont est de « MATHINLINE_10 » pendant l'entraînement actif, mais pendant la roue libre (recirculation), différents FET transportent le courant. Pour un pont complet en PWM continu, vous tenez généralement compte des quatre FET, chaque paire partageant le cycle de service et son complément.

Un problème : « MATHINLINE_11 » augmente avec la température. La valeur indiquée dans la fiche technique est généralement de 25 °C. À une température de jonction de 100 °C, attendez-vous à ce qu'elle soit 1,5 fois à 2 fois plus élevée. Concevez toujours en fonction de la valeur la plus élevée.

Perte de commutation : la taxe de vitesse

Chaque fois qu'un MOSFET passe de l'état désactivé à l'état allumé (ou vice versa), il traverse brièvement sa zone linéaire où la tension et le courant sont simultanément élevés. L'énergie perdue par transition est d'environ :

« MATHBLOCK_1 »

Un moyen pratique d'estimer « MATHINLINE_12 » et « MATHINLINE_13 » lorsque vous connaissez la charge de grille « MATHINLINE_14 » et le courant du pilote de grille est d'utiliser directement « MATHINLINE_15 ». Le calculateur utilise un modèle simplifié mais efficace :

« MATHBLOCK_2 »

où « MATHINLINE_16 » est la fréquence de commutation PWM. Cela évolue de manière linéaire avec la fréquence. C'est pourquoi le fait d'augmenter « MATHINLINE_17 » pour pousser le bruit audible au-dessus de 20 kHz entraîne un coût thermique réel.

Exemple de fonctionnement : pilote de moteur à courant continu brossé 24 V, 10 A

Évaluons les pertes pour un scénario assez courant :

Perte de conduction par FET :

« MATHBLOCK_3 »

Perte de commutation par FET :

« MATHBLOCK_4 »

Perte totale par FET :

« MATHBLOCK_5 »

Perte totale du bridge (4 FET) :

Dans un pont en H complet, deux FET commutent activement et deux transportent un courant de roue libre. La dissipation totale du pont fait la somme des quatre contributions. Pour ce cas symétrique :

« MATHBLOCK_6 »

Efficacité estimée du conducteur :

Le moteur reçoit « MATHINLINE_20 » W de puissance électrique. L'estimation de l'efficacité est la suivante :

« MATHBLOCK_7 »

C'est une bonne chose, et cela montre pourquoi les FET « MATHINLINE_21 » faibles à des fréquences de commutation modérées sont si populaires pour les entraînements moteurs. Mais remarquez ce qui se passe si vous quadruplez « MATHINLINE_22 » à 80 kHz pour éliminer toute trace de bruit acoustique : les pertes de commutation passent à 0,48 W par FET, la perte totale du pont grimpe à 4,32 W et vous avez ajouté 50 % de chaleur en plus sans aucun avantage pour le moteur.

Implications sur la conception

Quelques points pratiques à retenir de cette analyse :

• La perte de conduction domine aux basses fréquences de commutation. Si vous utilisez une fréquence de 10 à 20 kHz, concentrez votre budget sur des FET « MATHINLINE_23 » faibles.
• La perte de commutation domine aux hautes fréquences. Au-delà de 50 kHz, la charge de grille « MATHINLINE_24 » devient le paramètre critique. Recherchez les FET optimisés pour changer de facteur de mérite (« MATHINLINE_25 »).
• Le rapport cyclique est important pour la conduction, pas pour la commutation. Les pertes de commutation dépendent de la fréquence et du courant de charge, et non du rapport cyclique.
• Le déclassement thermique n'est pas négociable. Notre exemple donne 0,72 W par FET. Dans un boîtier SOT-23 ou PowerPak avec « MATHINLINE_26 » °C/W, cela représente une augmentation de 36 °C par rapport à la température ambiante, ce qui est gérable, mais elle se resserre rapidement si le débit d'air est restreint.

Quand les chiffres deviennent inconfortables

Si le calculateur indique des pertes de pont qui poussent la température de votre jonction au-delà de 125 °C (ou quelle que soit la valeur maximale nominale de votre FET), vous disposez de quatre leviers :

1. « MATHINLINE_27 » inférieur  : FET plus grand ou FET parallèles
2. Valeur inférieure de « MATHINLINE_28 » — FET à commutation plus rapide (échange souvent avec « MATHINLINE_29 »)
3. Abaissez « MATHINLINE_30 » — accepte plus d'ondulations ou de bruits audibles
4. Meilleure trajectoire thermique : tampon exposé, cuivre plus épais, dissipateur thermique, air pulsé

La calculatrice vous permet d'effectuer des itérations sur tous ces éléments en quelques secondes, ce qui est exactement le but.

Essayez-le

Branchez le courant moteur, la tension d'alimentation et les paramètres FET réels de votre moteur dans le calculateur [ouvrez la dissipation de puissance du pilote du moteur] (https://rftools.io/calculators/motor/motor-driver-power/) et voyez exactement où vont vos watts. C'est le moyen le plus rapide de vérifier l'intégrité de votre sélection de FET et de votre conception thermique avant de vous engager dans une configuration de circuit imprimé. Répétez sur « MATHINLINE_31 », « MATHINLINE_32 » et changez de fréquence jusqu'à ce que les chiffres satisfassent votre ingénieur thermique, ou du moins arrêtez de froncer les sourcils.