Sélection de MOSFET H-Bridge
Calculez les exigences en matière de MOSFET à pont en H, y compris le courant de pointe, les pertes de conduction et le courant nominal minimum pour les pilotes de moteurs à courant continu.
Formule
Référence: TI SLVA504, Calculating Motor Driver Power Dissipation
Comment ça marche
Ce calculateur détermine les valeurs nominales des MOSFET et les exigences en matière de commande de grille pour les circuits de commande des moteurs à pont en H. Les ingénieurs en électronique de puissance, les concepteurs de robots et les constructeurs de véhicules électriques l'utilisent pour sélectionner des composants qui gèrent le courant du moteur avec une tension et des marges thermiques adéquates. Une conception appropriée du pont en H permet d'éviter les défaillances catastrophiques et garantit une commande bidirectionnelle fiable du moteur.
Selon les principes fondamentaux de l'électronique de puissance (Mohan, « Power Electronics », 3e éd.), un pont en H utilise quatre commutateurs pour activer la marche avant, la marche arrière et le freinage en contrôlant la direction du courant dans le moteur. Paramètres de sélection clés conformément aux directives du fabricant : V_DS valeur nominale ≥ 2× tension d'alimentation (tient compte des pointes de tension inductives), I_D courant nominal du moteur continu ≥ 1,5× et R_DS(on) suffisamment faible pour limiter les pertes par conduction à un budget thermique acceptable.
Le déclassement de tension du MOSFET est essentiel : conformément aux directives de fiabilité du JEDEC, la contrainte de tension doit être inférieure à 80 % de la valeur nominale du V_DS pour une fiabilité à long terme. Un système de moteur 24 V avec des pointes inductives atteignant 1,5 fois l'alimentation nécessite des MOSFET d'une puissance nominale ≥ 60 V (24 × 1,5 ÷ 0,80 = 45 V minimum, utilisez la valeur nominale suivante). Échelle de pertes par conduction avec R_DS(on): Les MOSFET de puissance modernes atteignent 1-10 mΩ à des valeurs nominales de 30 à 60 V, permettant 10 A en continu avec seulement 0,1 à 1 W de perte par FET. Pertes totales sur le pont en H à 10 A : 0,2 à 2 W pour les MOSFET de qualité contre 60 à 100 W pour les pilotes intégrés dotés de commutateurs internes de 300 à 500 mΩ.
Exemple Résolu
Concevez un pont en H pour un contrôleur d'accélérateur 36 V pour vélo électrique. Caractéristiques du moteur : puissance nominale de 500 W, 15 A en continu, intensité maximale de 45 A pendant 0,5 seconde.
Étape 1 — Déterminer la tension nominale du MOSFET : Estimation du pic inductif : 1,5 × alimentation = 54 V Avec déclassement de 80 % : V_DS_min = 54 / 0.80 = 67,5 V Sélectionnez des MOSFET nominaux de 80 V ou 100 V (valeurs standard)
Étape 2 — Déterminer le courant nominal : Continu : I_D ≥ 1.5 × 15A = 22,5 A minimum Pic (pulsé) : I_D_peak ≥ 45A pendant 0,5 s Certains MOSFET évalués entre 40 et 60 A en continu et 120 A+ en mode pulsé
Étape 3 — Sélectionnez un MOSFET spécifique et calculez les pertes : IRFB4110 (100 V, 120 A, R_DS(on) = 3.7 mΩ à 25 °C, 5,5 mΩ à 100 °C) Perte de conduction à 15 A par FET (2 conducteurs) : P_cond = 15² × 0.0055 × 2 = 2,48 W au total
Étape 4 — Calculez les besoins thermiques : IRFB4110 dans TO-220 : R_θJC = 0,65 °C/W Avec dissipateur thermique R_θCS = 0,5°C/W, R_θSA = 2°C/W : R_θJA_total = 0.65 + 0.5 + 2 = 3,15 °C/W par FET ΔT par FET : 1,24 W × 3,15 = hausse de 3,9 °C, excellent
Étape 5 — Sélectionnez le pilote de portail : Charge de porte Q_g = 150 nC, à 20 kHz : I_gate_avg = Q_g × f = 3 mA Courant de grille de crête pour une commutation de 50 ns : I_peak = Q_g / t = 3A Sélectionnez un pilote en demi-pont IR2104 ou similaire avec une capacité d'entraînement de pointe de 0,5 à 1 A
Résultat : MOSFET IRFB4110 (100 V/120 A) avec pilotes de grille IR2104. La perte de conduction totale de 2,5 W permet un fonctionnement sans dissipation thermique à 15 A en continu. Ajoutez un temps mort de 100 ns et des résistances de grille 47Ω pour éviter les fuites.
Conseils Pratiques
- ✓Conformément aux notes d'application de Texas Instruments, utilisez des circuits intégrés de commande à pont en H (DRV8876, DRV8874) pour les moteurs <5A où la commodité l'emporte sur l'efficacité ; des MOSFET discrets avec <10 mΩ R_DS(on) pour >5A où un gain d'efficacité de 5 à 10 % est important
- ✓Placer des condensateurs céramiques de 100 nF à moins de 10 mm de chaque source de drain MOSFET conformément aux directives CEM afin de supprimer les transitoires de commutation de 10 à 100 MHz ; ajouter de l'électrolytique de 100 à 470 µF sur le bus DC pour l'énergie d'appel
- ✓Implémentez un temps mort de 50 à 200 ns entre l'arrêt du côté haut et l'activation du côté bas, conformément aux spécifications de désactivation du MOSFET. L'IR2104 et les pilotes similaires incluent une insertion automatique du temps mort
Erreurs Fréquentes
- ✗Sélection des MOSFET à une tension d'alimentation exacte : selon JEDEC, le rebond inductif atteint 1,5 à 2 fois la tension d'alimentation ; un système 24 V a besoin de MOSFET de 60 V au minimum : les MOSFET 48 V tomberont en panne en raison d'une tension de tension en quelques semaines ou mois
- ✗Omission des diodes en roue libre sur les configurations discrètes : les diodes à corps MOSFET fonctionnent pendant le temps mort mais ont une reprise inverse lente (50 à 200 ns) ; ajoutez des diodes Schottky externes pour les courants supérieurs à 10 A afin de réduire les pertes de commutation de 20 à 40 %
- ✗Utilisation d'une résistance à grille unique pour les quatre MOSFET : chaque porte a besoin d'une résistance individuelle (10-47Ω (typique) pour empêcher les oscillations parasites et permettre un réglage indépendant conformément aux directives du pilote de grille Infineon
Foire Aux Questions
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