Calcul des pertes de MOSFET dans les pilotes de moteurs à pont en H

Pourquoi les pertes de conducteurs de moteurs sont importantes

Vous avez choisi vos MOSFET, dessiné le pont en H, et maintenant le moteur tourne. Ça a l'air bien, non ? Pas si vite. La différence entre un pilote de moteur qui fonctionne sur votre banc et un autre qui survit dans des conditions réelles réside souvent dans la conception thermique, et cela commence par la détermination exacte de la puissance consommée par chaque FET.

Les pertes liées aux moteurs se répartissent en deux catégories principales : les pertes de conduction (échauffement résistif lorsque le FET est activé) et les pertes de commutation (énergie gaspillée lors de chaque transition activation/désactivation). Si vous vous trompez dans ces chiffres, vous risquez soit de surdimensionner votre dissipateur thermique et de gaspiller de l'espace précieux sur la carte, soit de le sous-dimensionner et de regarder l'accélérateur thermique de votre FET au pire moment possible. La plupart des ingénieurs ignorent les calculs détaillés des pertes dès le début et le regrettent plus tard lorsqu'ils résolvent les problèmes d'emballement thermique à 3 heures du matin avant une démonstration.

Nous allons détailler les calculs, passer en revue un exemple réel avec des chiffres réels que vous pourriez voir dans une application de moteur à courant continu à balais et vous montrer comment obtenir des réponses rapidement à l'aide de notre calculateur Dissipation de puissance du pilote du moteur.

Perte de conduction : l'impôt stable

Lorsqu'un MOSFET est complètement activé, il agit comme une petite résistance, caractérisée par son$R_{DS(on)}$. Il s'agit de la résistance à l'état passant, et même si elle est faible (souvent quelques milliohms dans les FET de puissance modernes), elle n'est jamais nulle. Dans un pont en H piloté par PWM, le FET n'est pas activé 100 % du temps, mais pendant une fraction définie par le rapport cyclique$D$. Le courant RMS traversant le FET détermine sa perte de conduction :

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Voici quelque chose qui fait monter les gens constamment : le$R_{DS(on)}$s'aggrave avec la température. Cette jolie valeur faible dans la fiche technique ? C'est à 25 °C. À 100 °C, attendez-vous à ce qu'elle soit 1,5 fois à 2 fois plus élevée selon la technologie FET. Concevez toujours avec la résistance « à chaud », et non selon les spécifications de température ambiante. J'ai vu trop de modèles qui avaient une belle apparence sur le papier à 25 °C, mais qui se transformaient en appareils de chauffage une fois leur température de fonctionnement atteinte.

Quand on y pense, le terme cycle de service a du sens : si vous ne conduisez le moteur qu'à 50 % du rapport cyclique, le FET côté supérieur ne passe que la moitié du temps en moyenne. Un cycle de service inférieur signifie une perte de conduction moyenne plus faible. C'est pourquoi les pertes par conduction varient directement en fonction de la force avec laquelle vous conduisez le moteur.

Perte de commutation : la taxe de vitesse

Chaque transition MOSFET de désactivation à marche (ou retour) implique un bref moment où la tension et le courant sont élevés. Pendant cette transition, le FET se trouve dans sa zone linéaire : il n'est ni complètement activé ni complètement désactivé. L'énergie perdue par transition est d'environ :

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Le problème est que les temps de montée et de descente dépendent du circuit de commande de votre porte, de la configuration de votre circuit imprimé et de nombreuses autres variables difficiles à définir avec précision. Une estimation pratique utilise plutôt la charge de grille$Q_g$directement. Notre calculateur utilise un modèle simplifié mais efficace :

Cette formule permet de saisir l'essentiel : la perte de commutation évolue de manière linéaire en fonction de la fréquence de commutation. Augmenter la fréquence de commutation pour éliminer les bruits audibles ou réduire l'ondulation de sortie ? N'oubliez pas que cela entraîne une véritable pénalité thermique. Doublez la fréquence, doublez les pertes de commutation. Il n'y a pas de déjeuner gratuit.

La charge de grille$Q_g$est essentiellement une mesure de la quantité de charge que vous devez pomper dans la capacité de grille pour commuter le FET. Une charge de grille plus faible signifie une commutation plus rapide et des pertes moindres. C'est pourquoi les FET modernes annoncent leurs faibles valeurs$Q_g$: c'est un indicateur direct de l'efficacité de la commutation.

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

Décomposons les pertes selon un scénario typique, celui que vous pourriez rencontrer lors de l'entraînement d'un moteur à courant continu à balais de puissance moyenne dans une application robotique ou industrielle :

Notez que nous utilisons ici la valeur chaude$R_{DS(on)}$, soit 8 milliohms à 100 °C. La fiche technique indique probablement quelque chose comme 5 mΩ à 25 °C, mais nous restons réalistes en ce qui concerne les conditions de fonctionnement. Perte de conduction par FET :Cela représente 100 carrés multipliés par 8 millions d'ohms multipliés par 0,75 cycle de service. Un demi-watt, cela ne semble pas beaucoup, mais n'oubliez pas que nous avons quatre FET dans un pont en H complet, et les choses s'additionnent rapidement. Perte de commutation par FET :À une fréquence de commutation de 20 kHz, les pertes de commutation sont relativement faibles par rapport aux pertes de conduction. Mais regardez ce qui se passe lorsque nous modifierons cette fréquence plus tard.

Perte totale par FET :

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Perte totale du bridge (4 FET) :

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Nous dissipons donc un peu moins de 3 watts sur l'ensemble du pont. Dans un pont en H typique, vous avez deux FET côté haut et deux FET côté bas, et à tout moment, un FET côté haut et un FET côté bas sont conducteurs (selon la direction du moteur).

Efficacité estimée du conducteur :

La puissance du moteur à 75 % du cycle de service avec 24 V et 10 A est d'environ 180 W (en supposant que les contre-champs électromagnétiques et les pertes résistives du moteur absorbent le reste). Donc :

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Pas mal. Mais remarquez ce qui se passe si vous quadruplez la fréquence de commutation à 80 kHz pour pousser le bruit PWM hors de la plage audible : les pertes de commutation passent à 0,48 W par FET, la perte totale du pont grimpe à environ 4,3 W et vous avez ajouté de la chaleur sans aucun avantage en termes de performances du moteur. L'efficacité chute à environ 97,7 %. Ce watt et demi supplémentaire peut sembler peu, mais dans un boîtier soumis à des contraintes thermiques, c'est ce qui fait la différence entre un fonctionnement fiable et un arrêt thermique.

Implications sur la conception

Des plats à emporter rapides et pratiques qui comptent réellement dans les designs réels :

La perte de conduction domine aux basses fréquences de commutation. Fonctionnant entre 10 et 20 kHz ? Concentrez-vous sur les FET à faible niveau de$R_{DS(on)}$. Dépenser un dollar de plus pour un FET dont la résistance à l'état passant est deux fois moindre vous permettra d'économiser beaucoup plus sur les coûts de gestion thermique. Dans notre exemple, les pertes de conduction étaient 5 fois plus élevées que les pertes de commutation. La perte de commutation prend le relais aux hautes fréquences. Au-delà de 50 kHz, la charge de grille$Q_g$devient le paramètre critique. Vous pouvez avoir le$R_{DS(on)}$le plus bas au monde, mais si la charge de votre portail est élevée, vous brûlerez des watts à chaque changement. C'est là que ces FET GaN sophistiqués commencent à briller : leur faible charge de grille rend le fonctionnement à haute fréquence pratique. Le cycle de service affecte la conduction, pas la commutation. Les pertes de commutation dépendent de la fréquence et du courant de charge, point final. Que vous utilisiez un cycle de service de 25 % ou 75 %, vous changez toujours au même rythme, de sorte que les pertes de commutation restent constantes. Les pertes de conduction, cependant, évoluent en fonction du rapport cyclique, car le FET est activé pendant une fraction plus longue de chaque cycle. Le déclassement thermique est obligatoire Notre exemple montre 0,72 W par FET, ce qui est gérable en théorie, mais restreint dans des espaces restreints. Si vous utilisez un boîtier SOT-23 avec un minimum de cuivre, vous allez avoir des problèmes. Un SO-8 avec un tampon exposé et une coulée de cuivre décente ? Bien plus raisonnable. Vérifiez toujours la résistance thermique de la jonction à la température ambiante en fonction de votre boîtier et de votre configuration de circuit imprimé spécifiques.

Quand les chiffres deviennent inconfortables

Si les pertes de pont poussent la température de jonction au-delà des limites de sécurité (et que la plupart des MOSFET commencent à devenir mécontents au-delà de 125 °C), vous avez quatre mesures à prendre :

Inférieur$R_{DS(on)}$ — Choisissez un FET plus grand avec une plus grande surface de silicium, ou mettez plusieurs FET en parallèle. Deux FET en parallèle réduisent de moitié les pertes de conduction, même si vous avez doublé vos pertes de commutation et la surface de la carte. Parfois, ce commerce a du sens. Bas$Q_g$ — Passez à un FET à commutation plus rapide avec une charge de grille plus faible. Les MOSFET à superjonction et les dispositifs GaN modernes excellent ici. L'inconvénient est qu'ils sont souvent plus chers et peuvent être plus délicats en ce qui concerne la conception des moteurs de portail. Abaissez le$f_{sw}$ — Diminuez votre fréquence de commutation. Vous pouvez accepter une augmentation du courant d'ondulation dans le moteur ou un bruit plus audible, mais les problèmes thermiques disparaissent souvent. Le passage de 40 kHz à 20 kHz réduit de moitié les pertes de commutation. Meilleure trajectoire thermique — Utilisez un emballage de tampon exposé, dirigez-le vers des plans en cuivre plus épais, ajoutez un dissipateur thermique ou améliorez la circulation de l'air. Parfois, la réponse n'est pas un FET différent, mais une meilleure conception mécanique. Quelques centimètres carrés de cuivre de 2 oz peuvent faire des merveilles.

Essayez-le vous-même

Entrez vos paramètres réels dans le calculateur Dissipation de puissance du pilote du moteur. C'est le moyen le plus rapide de vérifier l'intégrité de votre sélection de FET avant de vous lancer dans une mise en page. Répétez sur la fréquence de commutation, la sélection du FET et le cycle de service jusqu'à ce que votre budget thermique soit logique. Le calculateur vous indiquera exactement d'où proviennent vos pertes et vous aidera à faire des compromis éclairés. C'est bien mieux que de découvrir que vous avez besoin d'une refonte après le premier prototype.