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Seleção de MOSFET H-Bridge

Calcule os requisitos de MOSFET da ponte H, incluindo corrente de pico, perdas de condução e corrente nominal mínima para acionadores de motor DC.

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Fórmula

I_peak = I_rated × k, P_cond = I²× R_DS(on)

k — Inrush multiplier (×)
R_DS — MOSFET on-resistance (Ω)

Como Funciona

Uma ponte H é um circuito de alimentação que consiste em quatro interruptores (normalmente MOSFETs) dispostos para permitir corrente bidirecional através de um motor DC. Ao ativar os pares diagonais, a ponte aciona a corrente em qualquer direção, permitindo avançar, reverter e frear. Os principais parâmetros de seleção são: corrente de drenagem contínua (I_D) ≥ 1,5 × corrente nominal do motor, tensão nominal da fonte de drenagem (V_DS) ≥ 2 × tensão de alimentação, resistência no estado (R_DS (ligado)) para minimizar as perdas de condução e carga na porta (Q_g) compatível com a capacidade de acionamento do portão.

Exemplo Resolvido

Selecione MOSFETs para uma ponte H acionando um motor contínuo de 24 V, 10 A com pico de irrupção de 30 A.
Etapa 1 — Classificação de tensão (2 × redução):
V_DS ≥ 2 × 24 = 48 V → use MOSFETs com classificação de 60 V
Etapa 2 — Classificação atual (1,5 × contínuo + pico do manípulo):
I_D_cont ≥ 1,5 × 10 = 15 A contínuo
I_D_peak ≥ 30 A (para irrupção)
→ Selecione um MOSFET com classificação de 40 A contínuo/100 A de pico
Etapa 3 — Perda de condução por MOSFET na corrente nominal:
Suponha que R_DS (on) = 8 mΩ a 100 °C (por exemplo, IRFB3207)
P_cond = I² × R_DS (ligado) = 10² × 0,008 = 0,8 W por FET
Total para 4 FETs (2 conduzindo a qualquer momento): 2 × 0,8 = 1,6 W
Etapa 4 — Requisito do motorista do portão:
Q_g = 70 nC (típico para esta classe FET)
A 20 kHz PWM, potência de acionamento do portão: P_g = Q_g × V_gs × f = 70e-9 × 12 × 20000 = 16,8 mW por FET → insignificante
Etapa 5 — Requisito de tempo morto:
t_dead > t_fall + margem = 50 ns + 20 ns = mínimo de 70 ns (defina 100 ns)
Resultado: MOSFETs de 60 V/40 A com R_DS (ligado) < 10 mΩ (por exemplo, IRFB3207, STP60NF06) são adequados. Adicione um IC de driver de porta dedicado (por exemplo, IR2104) com unidade lateral alta bootstrap.

Dicas Práticas

  • ✓Use um IC de driver de porta H dedicado (por exemplo, DRV8876, L298N, IR2104) em vez de uma lógica discreta — eles fornecem proteção contra disparo, inserção em tempo morto e unidade de bootstrap adequada de alto lado
  • ✓Coloque os capacitores de desacoplamento de cerâmica de 100 nF o mais próximo possível de cada fonte de drenagem MOSFET para suprimir os transientes de comutação; adicione um eletrolítico a granel de 100—470 µF nos trilhos de alimentação
  • ✓Para ICs de ponte H integrados (L298N, DRV8833), verifique o R_DS (ligado) dos comutadores internos — muitos drivers integrados têm resistência de 1 a 3 Ω, causando queda significativa de tensão e aquecimento em correntes acima de 2—3 A

Erros Comuns

  • ✗Escolhendo MOSFETs classificados exatamente na tensão de alimentação - os picos de tensão da comutação de indutância do motor (L × di/dt) excedem facilmente a tensão de alimentação DC; sempre reduza V_DS para pelo menos 2 ×
  • ✗Omitindo diodos flyback (roda livre) — os MOSFETs têm diodos corporais que conduzem durante o tempo morto, mas os diodos Schottky discretos de alta velocidade reduzem o tempo de recuperação e as perdas de comutação em aplicações de alta corrente
  • ✗Usando um único resistor de porta compartilhada para todos os quatro MOSFETs - cada porta precisa de seu próprio resistor para evitar oscilações parasitárias e permitir o ajuste independente da velocidade de comutação

Perguntas Frequentes

O disparo ocorre quando os MOSFETs do lado alto e do lado baixo na mesma perna da ponte estão LIGADOS simultaneamente, criando um curto-circuito da alimentação ao solo. Isso é evitado inserindo um tempo morto (normalmente 50—200 ns) entre desligar um FET e ligar o outro. Os modernos CIs de driver de ponte H implementam o tempo morto automaticamente.
Os CIs de ponte H integrados (DRV8876, TB6612FNG, L298N) são convenientes para correntes de até 3 a 5 A e fornecem proteção integrada. Para motores acima de 5 A, MOSFETs discretos com um IC de acionamento de porta oferecem menor R_DS (ligado), melhor gerenciamento térmico e flexibilidade total em relação ao tempo morto e à velocidade de comutação.
As perdas do acionamento do portão, a corrente quiescente do IC do acionador e o vazamento através dos diodos do corpo contribuem para o aquecimento em marcha lenta. O PWM de alta frequência em alto ciclo de trabalho próximo a 50% maximiza as perdas de comutação. Reduzir a frequência PWM ao mínimo que evita ruídos audíveis normalmente reduz substancialmente o aquecimento do motorista.

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