H-Bridge는 얼마나 많은 전력을 낭비하고 있습니까?모터 드라이버의 MOSFET 손실 계산

모터 드라이버 손실이 중요한 이유

MOSFET을 선택하고 H-브리지를 배치하면 모터가 회전합니다.일 다 끝났어요?그렇진 않아요.벤치에서 작동하는 모터 드라이버와 생산 시 작동하는 모터 드라이버의 차이는 주로 열 설계에 달려 있습니다. 열 설계는 각 FET가 소비하는 전력량을 정확히 파악하는 것에서 시작됩니다.

모터 드라이버의 손실은 크게 두 가지로 나누어집니다. 하나는 전도 손실 (FET가 켜진 상태에서의 저항 가열) 이고 다른 하나는 스위칭 손실 (각 켜기/끄기 전환 시 소모되는 에너지) 입니다.이 수치를 잘못 입력하면 히트싱크 및 보드 공간 사양이 초과되거나 사양이 미달되어 최악의 시기에 FET가 과열 상태로 전환되는 것을 보게 될 수 있습니다.

이제 [모터 드라이버 전력 손실] (https://rftools.io/calculators/motor/motor-driver-power/) 계산기를 사용하여 계산을 세분화하고 실제 예제를 살펴본 다음 몇 초 만에 답을 구하는 방법을 보여드리겠습니다.

전도 손실: 정상 상태 세금

MOSFET이 완전히 켜져 있을 때마다 MOSFET은 마치 “MATHINLINE_8"이라는 작은 저항처럼 작동합니다.PWM 구동 H-브리지에서는 FET가 100% 켜져 있는 것이 아니라 듀티 사이클 “MATHINLINE_9"로 정의된 기간보다 훨씬 짧은 시간 동안 FET가 켜져 있습니다.온타임 동안 FET를 통과하는 RMS 전류에 따라 전도 손실이 결정됩니다.

“매스블록_0"

이것은 피트 당 값입니다.일반적인 H-브리지에서는 두 개의 FET가 동시에 전도하므로 (하나는 하이 사이드, 다른 하나는 로우 사이드) 브리지 양단의 총 전도 손실은 액티브 드라이브 시 “MATHINLINE_10"이지만 프리휠링 (재순환) 중에는 서로 다른 FET가 전류를 전달합니다.연속 PWM을 사용하는 풀 브리지의 경우 일반적으로 네 개의 FET가 모두 포함되며 각 쌍은 듀티 사이클과 이를 보완합니다.

중요한 점은 “MATHINLINE_11"이 온도에 따라 증가한다는 것입니다.데이터시트의 값은 일반적으로 25°C이며, 접합 온도가 100°C일 때는 1.5배에서 2배 더 높아질 것으로 예상됩니다.항상 뜨거운 값을 사용하여 설계하십시오.

스위칭 손실: 속도세

MOSFET이 OFF에서 ON으로 (또는 그 반대로) 전환할 때마다 전압과 전류가 동시에 높은 선형 영역을 잠시 통과합니다.전환당 손실되는 에너지는 대략 다음과 같습니다.

“매스블록_1"

게이트 전하 “MATHINLINE_14"와 게이트 드라이버 전류를 알고 있을 때 “MATHINLINE_12"와 “MATHINLINE_13"을 추정하는 실용적인 방법은 “MATHINLINE_15"를 직접 사용하는 것입니다.계산기는 단순하지만 효과적인 모델을 사용합니다.

“매스블록_2"

여기서 “MATHINLINE_16"은 PWM 스위칭 주파수입니다.이 값은 주파수에 따라 선형적으로 스케일링됩니다. 따라서 “MATHINLINE_17"을 크랭크업하여 가청 잡음을 20kHz 이상으로 올리면 열 손실이 발생합니다.

실제 사례: 24V, 10A 브러시드 DC 모터 드라이버

매우 일반적인 시나리오의 손실 크기를 조정해 보겠습니다.

FET당 전도 손실:

“매스블록_3"

FET당 스위칭 손실:

“매스블록_4"

FET당 총 손실:

“매스블록_5"

총 브리지 손실 (4FET) :

풀 H-브리지에서는 FET 2개가 능동적으로 스위칭되고 2개는 프리휠링 전류를 전달합니다.총 브리지 손실은 네 가지 기여도를 모두 합한 것입니다.이 대칭적인 사례의 경우:

“매스블록_6"

예상 드라이버 효율성:

모터는 “MATHINLINE_20"W의 전력을 공급받습니다.효율 추정치는 다음과 같습니다.

“매스블록_7"

이는 상당히 좋은 결과이며, 적당한 스위칭 주파수의 낮은 “MATHINLINE_21" FET가 모터 구동에 널리 사용되는 이유를 보여줍니다.그러나 “MATHINLINE_22"를 80kHz로 4배 늘려 음향 잡음을 제거하면 어떤 일이 발생하는지 알 수 있습니다. 스위칭 손실은 FET당 0.48W로 증가하고 총 브리지 손실은 4.32W로 증가하며 모터에 아무런 이점도 주지 않고 발열이 50% 더 증가하게 됩니다.

설계상 시사점

이 분석을 통해 얻을 수 있는 몇 가지 실질적인 교훈은 다음과 같습니다.

• 낮은 스위칭 주파수에서는 전도 손실이 지배적입니다. 10—20kHz로 실행하는 경우 낮은 “MATHINLINE_23" FET에 예산을 집중하십시오.
• 고주파에서는 스위칭 손실이 지배적입니다. 50kHz 이상에서는 게이트 전하 “MATHINLINE_24"가 중요한 파라미터가 됩니다.스위칭 성능 지수 (“MATHINLINE_25") 에 최적화된 FET를 찾아보세요.
• 듀티 사이클은 스위칭이 아니라 전도에 영향을 미칩니다. 스위칭 손실은 듀티 사이클이 아니라 주파수와 부하 전류에 따라 달라집니다.
• 열 경감은 타협할 수 없습니다. 이 예에서는 FET당 0.72W를 제공합니다.“MATHINLINE_26"°C/W의 SOT-23 또는 PowerPak 패키지의 경우 주변 온도보다 36°C 상승하므로 관리가 용이하지만 공기 흐름이 제한될 경우 빠르게 조여집니다.

수치가 나오기 불편할 때

계산기에 접합 온도가 125°C (또는 FET 정격 최대값) 이상으로 밀려나는 브리지 손실이 나타난다면 다음과 같은 네 가지 레버가 있는 것입니다.

1.낮은 “MATHINLINE_27" — 더 큰 FET 또는 병렬 FET 2.낮은 “MATHINLINE_28" — 스위칭 속도가 더 빠른 FET (종종 “MATHINLINE_29"와 대비하여 절충됨) 3."MATHINLINE_30"을 낮추십시오 — 잔물결이나 가청 잡음이 더 많이 들림 4.더 나은 열 경로 — 노출형 패드, 두꺼운 구리, 방열판, 강제 통풍

계산기를 사용하면 몇 초 만에 이 모든 작업을 반복할 수 있습니다. 이것이 바로 요점입니다.

사용해 보세요

실제 모터 전류, 공급 전압 및 FET 파라미터를 [모터 드라이버 전력 손실] (https://rftools.io/calculators/motor/motor-driver-power/) 계산기에 연결하고 와트가 정확히 어디로 가는지 확인하세요.PCB 레이아웃을 설정하기 전에 FET 선택 및 열 설계를 온전하게 점검할 수 있는 가장 빠른 방법입니다.“MATHINLINE_31", “MATHINLINE_32"와 스위칭 주파수를 반복해서 사용해 보고 열 엔지니어가 만족할 때까지, 적어도 눈살을 찌푸리는 일은 그만두세요.