Hブリッジはどのくらいの電力を浪費していますか？モータードライバーのMOSFET損失の計算

モータードライバーの損失が重要な理由

MOSFETを選び、Hブリッジをレイアウトしたら、モーターが回転します。仕事は終わった？そうでもないベンチで動作するモータードライバーと生産現場で機能するモータードライバーの違いは、多くの場合、熱設計にあります。熱設計は、各FETが消費する電力を正確に把握することから始まります。

モータードライバーの損失は、導通損失 (FET がオンのときの抵抗加熱) とスイッチング損失 (オン/オフ遷移のたびに消費されるエネルギー) の 2 つに大別されます。これらの数値を間違えると、ヒートシンクのスペックが高くなって基板スペースが無駄になるか、スペックを低くしてFETが最悪のタイミングでサーマルシャットダウンに入るのを見ることになります。

それでは、数学を分解して実際の例を見ていき、当社の [モータードライバーの電力損失計算を開く] (https://rftools.io/calculators/motor/motor-driver-power/) 計算機を使って数秒で答えを得る方法を示しましょう。

伝導損失:定常州税

MOSFETが完全にオンになると、小さな抵抗、つまり「MATHINLINE_8」のように動作します。PWM駆動のHブリッジでは、FETは常に 100% オンというわけではなく、デューティ・サイクル「MATHINLINE_9」で定義される時間のほんの一部しかオンになりません。オンタイム中に FET に流れる RMS 電流によって導通損失が決まります。

「MATHBLOCK_0」

これはFET単位です。一般的な H ブリッジでは 2 つの FET が同時に導通するため (1 つはハイサイド、もう 1 つはローサイド)、アクティブドライブ中はブリッジ全体の導通損失は「MATHINLINE_10」になりますが、フリーホイール (再循環) 中は、異なる FET が電流を流します。連続PWMを使用するフルブリッジでは、通常、4つのFETすべてを考慮し、各ペアがデューティサイクルとその補数を共有します。

ここで注意すべき点は、「MATHINLINE_11」は温度とともに増加するということです。データシートの値は通常25°Cですが、100°Cのジャンクション温度では、1.5倍から2倍高くなると予想されます。常に高温値で設計してください。

スイッチング損失:スピードタックス

MOSFETがオフからオン (またはその逆) に遷移するたびに、電圧と電流の両方が同時に高くなる線形領域を短時間通過します。遷移ごとに失われるエネルギーは、おおよそ次のようになります。

「MATHBLOCK_1」

ゲート電荷「MATHINLINE_14」とゲートドライバ電流がわかっている場合に「MATHINLINE_12」と「MATHINLINE_13」を推定する実用的な方法は、「MATHINLINE_15」を直接使用することです。この計算機では、簡略化されながらも効果的なモデルを使用しています。

「MATHBLOCK_2」

ここで、「MATHINLINE_16」は PWM スイッチング周波数です。これは周波数に比例して変化します。そのため、「MATHINLINE_17」をクランクアップして可聴ノイズを20 kHz以上に押し上げると、かなりの熱コストがかかります。

動作例:24V、10A ブラシ付き DC モータードライバー

かなり一般的なシナリオで損失を測ってみましょう。

FETあたりの導通損失:

「マスブロック_3」

FET当たりのスイッチング損失:

「マスブロック_4」

FET当たりの総損失:

「マスブロック_5」

合計ブリッジ損失 (4 FET):

フル H ブリッジでは、2 つの FET がアクティブにスイッチングし、2 つの FET がフリーホイール電流を流します。ブリッジの消費電力の合計は、4 つの要因すべてを合計したものです。この対称的なケースでは、

「マスブロック_6」

推定ドライバー効率:

モーターには「MATHINLINE_20」W の電力が供給されます。効率の推定値は次のとおりです。

「MATHBLOCK_7」

これはかなり良いことであり、中程度のスイッチング周波数で低い「MATHINLINE_21」FETがモータードライブで非常に人気がある理由がわかります。しかし、「MATHINLINE_22」を80kHzに4倍にして音響ノイズの痕跡をすべて除去するとどうなるかに注目してください。スイッチング損失はFETあたり0.48W、ブリッジ損失の合計は4.32Wに上昇し、モーターには何のメリットもないのに熱が 50% 増えます。

設計上の影響

この分析から得た実践的なポイントは以下のとおりです。

-スイッチング周波数が低いと伝導損失が大きくなります。 10～20 kHzで動作している場合は、低い「MATHINLINE_23」FETに予算を集中させてください。 -高周波数ではスイッチング損失が支配的です。 50 kHzを超えると、ゲート電荷「MATHINLINE_24」が重要なパラメータになります。スイッチング性能指数 (「MATHINLINE_25」) に最適化されたFETを探してください。 -デューティ・サイクルはスイッチングではなく導通にとって重要です。 スイッチング損失は、デューティ・サイクルではなく、周波数と負荷電流に依存します。 -熱ディレーティングは交渉の余地がありません。 この例ではFETあたり0.72 Wです。「MATHINLINE_26」°C/WのSOT-23またはPowerPakパッケージでは、これは周囲温度より36°C高くなるため、管理は可能ですが、空気の流れが制限されている場合はすぐに締まります。

数字が気になるときには

計算ツールで接合部温度が125°C (またはFETの定格最大値) を超えるブリッジ損失が示された場合は、次の4つの方法があります。

1.より低い「MATHINLINE_27」 — より大きなFETまたはパラレルFET 2.低い「MATHINLINE_28」 — スイッチングの速いFET (「MATHINLINE_29」とトレードオフになることが多い) 3.「MATHINLINE_30」を小さくする — より多くのリップルノイズまたは可聴ノイズを受け入れます 4.熱経路の改善 — 露出パッド、厚みのある銅、ヒートシンク、強制換気

カリキュレータを使うと、これらすべてを数秒で反復処理できます。これがまさにポイントです。

やってみよう

実際のモーター電流、供給電圧、およびFETパラメータを [モータードライバーの電力損失を開く] (https://rftools.io/calculators/motor/motor-driver-power/) 計算機に接続して、ワットがどこに行くのかを正確に確認してください。これは、PCBレイアウトを決定する前に、FETの選択と熱設計の健全性を確認する最速の方法です。「MATHINLINE_31」、「MATHINLINE_32」、およびスイッチング周波数を繰り返して、その数字が熱技術者に満足するか、少なくとも眉をひそめるのをやめるまで繰り返してください。