Haciendo Mover a los Grandes Motores de Escobillas

A pesar de la eficiencia y el alto torque de los motores DC sin escobillas, los motores con escobillas grandes y los servomotores siguen siendo muy comunes en muchas aplicaciones industriales. Esto se debe principalmente a que los motores con escobillas son más simples de controlar, y típicamente más baratos de comprar, y por lo tanto, la necesidad de manejarlos no va a desaparecer. Un pequeño circuito integrado controlador de motor con escobillas no es suficiente para motores industriales grandes o servomotores que requieren alto voltaje, amperaje, o ambos. Esto hace necesario construir el puente H con componentes discretos. Esto no debe considerarse una tarea desalentadora, ya que no es un esquemático muy complicado; se reduce a 4 FETs con diodos de protección, un conjunto de controladores de puerta, y un IC controlador que asegura que no cortocircuite nada. Los controladores de puerta y el IC controlador incluso pueden encontrarse en un solo paquete si así lo desea.

Construyendo el Puente H

Este es un diseño típico de puente H, sin los controladores de puerta. Tienes dos opciones para construir el puente, ya sea usar MOSFETs de canal P para el lado alto y de canal N para el lado bajo, o usar canal N en todo. Como estoy seguro de que sabes, los MOSFETs de canal P tienen una RDS(on) (Resistencia Interna) significativamente más alta que los de canal N, lo que genera mucho más calor por la potencia disipada en la resistencia al conducir altas corrientes. Sin embargo, los FETs de canal P son muy convenientes de usar para el lado alto, ya que un FET de canal N solo conducirá cuando el voltaje de la puerta sea más alto que el voltaje de la fuente aplicado. Aquí es donde entran los controladores de puerta, ya que son capaces de impulsar la puerta de un FET de canal N aumentando suficientemente el voltaje de entrada, lo que reduce el costo y la carga térmica en la placa de circuito.

Otra ventaja del controlador de puerta es la capacidad de mover mucha más corriente hacia y desde la puerta de los MOSFETs y drenar rápidamente la carga de ella que lo que podría un pin de microcontrolador típico. Si simplemente estás usando el puente H para encender el motor en cualquier dirección, esto no será de mucha ventaja para ti. Sin embargo, si estás usando PWM de alta frecuencia para variar la velocidad del motor, o para construir un servomotor, esta capacidad de conducir grandes cantidades de corriente hacia y desde la puerta de los FETs puede permitirte construir una solución de muy alto rendimiento.

Debido a la enorme ventaja de los FETs de canal N cuando se trata de resistencia interna y capacitancia de puerta, vamos a enfocarnos exclusivamente en construir un puente H con canal N tanto en el lado alto como en el bajo.

Controlando el Puente H

Controladores Dobles

Si estás trabajando con altos voltajes, altas velocidades de PWM, o ambos, podrías querer considerar el uso de dos controladores individuales para el Puente H. Aunque los controladores de puerta de MOSFET individuales son excelentes, altos voltajes y corrientes excederán los límites operacionales de un solo IC debido a restricciones de empaquetado. Podrías estar ejecutando altas frecuencias de PWM para los controladores si estás construyendo un controlador de servomotor DC, y necesitas hacer muchos ajustes pequeños a la posición del motor. Tales frecuencias requieren cargar y descargar rápidamente la carga de la puerta en el MOSFET, lo que a su vez requiere corriente significativa.

En este esquemático, utilizo dos Infineon 2EDL05N06PFXUMA1 de la gama de controladores de puerta EiceDriver. Las señales de la tabla de verdad necesitan ser bien gestionadas por el microcontrolador para asegurar que no tengas una condición de disparo cruzado que instantáneamente freiría el Puente H. El compromiso por esta falta de protección contra una mala programación en comparación con un paquete de controlador de puente completo integrado es hasta 600V de capacidad de conducción y una corriente significativa de fuente/sumidero para conmutar la puerta rápidamente.

Las capturas de pantalla del esquemático arriba son de mi repositorio de servo de alta resistencia en GitHub. Este proyecto de código abierto se basa en el trabajo de código abierto de Citrus CNC en sus unidades de servo DC Tarocco. Este controlador de servo DC de 100V fue utilizado para controlar los motores en un proyecto de conversión de Siemens SiPlace.

Controlador Único

Si estás trabajando con voltajes más bajos, usar un circuito integrado para manejar ambos lados del Puente H se vuelve factible y puede ofrecer algunos ahorros de espacio así como tranquilidad con protección integrada contra disparo cruzado. Cuando necesito un controlador único, normalmente recurro al Renesas HIP4081A, que proviene de un largo linaje de controladores de calidad industrial de la misma serie.

El HIP4081A y la mayoría de los otros controladores son muy simples de implementar, con solo un par de pasivos necesarios para el desacoplamiento y el arranque para las altas tensiones de puerta. El esquemático arriba es de un controlador de motor de 12V, 100A que fue utilizado en la industria del petróleo y gas.

Especificaciones a Considerar

Ya sea que uses controladores de puerta simples, dobles o cuádruples para tu Puente H, las especificaciones básicas a considerar serán las mismas. Tus principales preocupaciones probablemente se dirigirán hacia los MOSFETs utilizados en el puente, así como los diodos de protección que van con ellos. Una vez que hayas seleccionado cada parte, sin embargo, necesitarás revisar tus otras partes seleccionadas para asegurar que el sistema es óptimo. Los puntos críticos aquí son el Voltaje de Puerta a Fuente en el MOSFET versus el voltaje de salida del controlador de FET, y el voltaje de sujeción del diodo de protección versus el voltaje máximo de drenador-fuente del MOSFET. Si estás utilizando PWM de alta frecuencia para el Puente H, también necesitarás considerar la corriente del controlador de FET versus la carga de puerta/capacitancia de entrada del MOSFET. Sin embargo, revisaremos las especificaciones de cada parte en nuestro Puente H en gran detalle para servir como guía para tu proceso de selección de partes.

Especificaciones de MOSFET

Hay un par de listados de temperatura relevantes que podrías ver en una hoja de datos que causan que algunas de estas especificaciones sean desclasificadas, lo cual puede ser confuso si no se trata regularmente. Típicamente verás T_A, T_C y T_J listados:

• T_A es la temperatura del dispositivo sin ningún tipo de enfriamiento aparte del PCB a temperatura ambiente, que típicamente se lista como 25°C.

• T_C es la temperatura del caso, lo cual asume que el caso está siendo enfriado forzosamente a esta temperatura por un gran disipador de calor y aire forzado o enfriamiento líquido.

• T_J es la temperatura de la unión del gate, el silicio dentro del paquete. No es posible medir esto sin decapsular el IC, por lo que necesitarás usar las características térmicas del dispositivo para calcular esto.

Si no estás usando un gran disipador de calor y enfriamiento activo (aire forzado o líquido) deberías basar tus selecciones en las calificaciones de TA para crear una lista preliminar, luego sacar la calculadora y calcular realmente qué dispositivo funcionará mejor para tu circuito específico. Los MOSFETs pueden continuar funcionando bien más allá de lo que podrías considerar razonable para otros dispositivos en la placa de circuito. Funcionan dentro de sus parámetros especificados con temperaturas de unión alcanzando o excediendo los 175°C, lo que te da mucho margen para el MOSFET. Sin embargo, otros componentes en la placa de circuito cercanos pueden no estar tan contentos con temperaturas tan altas durante duraciones extendidas. A continuación, se presentan algunos de los parámetros más importantes de un MOSFET y cómo afectan a tu controlador.

Vdss - Voltaje de Drenador a Fuente

El voltaje del MOSFET debería ser bastante obvio, pero si te concentras demasiado en optimizar otras especificaciones, podrías seleccionar accidentalmente una parte que es un poco de menor voltaje del que necesitas. El voltaje necesita ser, como mínimo, el voltaje de suministro al motor, pero realísticamente debería ser al menos un 25% más alto, ya que verás un gran pico cuando frenes el motor mientras se mueve rápidamente. Como tal, esta es una buena especificación para volver a verificar una vez que hayas seleccionado tus diodos de protección. Asegúrate de que Vdss sea más alto que el voltaje de acampe de los diodos o tu MOSFET se quemará rápidamente.

VGS - Voltaje de Puerta a Fuente

Algunos controladores de MOSFET generarán voltajes más altos que otros; aunque esto generalmente no es un problema, vale la pena tenerlo en cuenta. Por ejemplo, si tu controlador está generando un voltaje que es 10V más alto que el voltaje de fuente, pero el MOSFET solo puede sobrevivir a 8V, podría no durar mucho tiempo. Del mismo modo, algunos MOSFETs podrían requerir un voltaje de conducción más alto para alcanzar el mínimo RDS(on), y tu controlador puede no proporcionar ese voltaje. VGS y RDS(on) en VGS del MOSFET por lo tanto deberían ser evaluados al mirar el IC controlador de MOSFET para asegurar un sistema óptimo.

RDS(on) - Resistencia Interna de Drenador a Fuente en Conducción

La resistencia del FET es una especificación crítica ya que está directamente relacionada con la cantidad de energía perdida como calor en el circuito integrado. Si el paquete no puede eliminar el calor lo suficientemente rápido, el circuito integrado puede entrar en un modo de autoprotección o liberar su humo mágico. Con un RDS(on) más bajo, también puedes tener un disipador de calor más pequeño o un área de cobre alrededor del CI. Independientemente de la corriente nominal del dispositivo, el calor es el verdadero limitador. Si tienes un área limitada alrededor del controlador para el vertido de cobre que actúe como disipador de calor, necesitarás priorizar la especificación RDS(on) para que el controlador genere la menor cantidad de calor posible.

ID - Corriente de Drenaje

A menos que solo estés pulsando el motor de manera irregular, o tengas un disipador de calor muy grande, la corriente de drenaje probablemente sea una de las especificaciones menos críticas para comparar MOSFETs. Al igual que Vdss, necesitas asegurarte de que tu dispositivo elegido tenga un ID suficientemente alto para permitir que tu motor opere, incluyendo la corriente de arranque y de bloqueo. Es probable que el ID no sea un factor limitante para el dispositivo, ya que ser capaz de eliminar suficiente calor del empalme/paquete probablemente sea el verdadero límite de cuánta corriente puedes pasar a través del dispositivo. Algunos fabricantes como Infineon listarán el ID en sus hojas de datos para varias condiciones (voltaje VGS, área de cobre, etc.) para darte una idea de la degradación. La hoja de datos del IPT004N03LATMA1, por ejemplo, muestra que el dispositivo es capaz de 300A bajo la mayoría de las condiciones. Sin embargo, con solo 6cm2 de área de cobre, solo es capaz de 72A.

Ptot - Disipación de Potencia

Normalmente, encontrarás que Ptot es significativamente más limitante que ID. Si miramos otro MOSFET en un paquete notablemente pequeño con un RDS(on) mucho más alto que el increíble MOSFET de Infineon mencionado anteriormente, como el Nexperia PMZB290UNE, podemos ver cómo la máxima disipación total de potencia limita el uso. Este dispositivo tiene un RDS(on) de 380 miliohmios, una corriente máxima de 1 amperio y un voltaje máximo de 20 voltios. Con 1cm2 de área de cobre y una temperatura ambiente de 25°C, la máxima disipación de potencia de este dispositivo está calificada en 360mW. Podemos notar que esta calificación se alcanza con solo 290mA y 3.3V, lo cual es mucho menos que las calificaciones de voltaje o corriente del dispositivo. Podemos concluir que el dispositivo soporta hasta 20V, o hasta 1A, pero no ambos al mismo tiempo debido a las restricciones de disipación de potencia total.

QG - Carga de Puerta

A principios del artículo, mencioné cómo la capacidad de un controlador para mover mucha corriente hacia la puerta de un MOSFET es importante. La carga de puerta, que es responsable de la capacitancia de puerta, es la mayor razón detrás de eso. Cada vez que enciendes la puerta, necesitas suministrar esta cantidad de energía, o la puerta no se encenderá. Cuanto más rápido puedas suministrar la carga, más rápido puedes encender la puerta. Cuanto más rápido y más frecuentemente enciendas la puerta, mayor será tu corriente de puerta. Estas cargas son bastante pequeñas, pero si enciendes la puerta un millón de veces por segundo, la corriente requerida para cargar y descargar la puerta se suma significativamente. Puedes leer en gran detalle sobre cómo la carga de puerta afecta el tiempo de conmutación en una nota de aplicación profunda de Vishay. Generalmente, sin embargo, cuando miras un controlador, necesitas considerar cuánta corriente necesitará suministrar calculando la cantidad de carga que tu MOSFET necesita a la frecuencia a la que tu sistema funcionará.

Ciss - Capacitancia de Entrada

Estrechamente relacionada con la carga de puerta es la capacitancia de entrada. La capacitancia de entrada es la suma de la capacitancia puerta-fuente (Cgs) y la capacitancia puerta-drenador (Cgd). La capacitancia de entrada es la capacitancia del MOSFET en su totalidad, vista desde la entrada. La carga de puerta es la cantidad de carga que necesitas para manejar la capacitancia de entrada, para que el MOSFET funcione.

Especificaciones del Diodo de Protección

La funcionalidad del diodo del MOSFET es excelente, pero no es lo que querrías usar para limitar picos de tensión transitorios provenientes del motor al ser detenido o invertido. Estas tensiones pueden ser bastante altas y pueden quemar o degradar el MOSFET muy rápidamente. En mi experiencia, realmente no importa si usas un diodo TVS o uno Schottky, solo necesitas algo que ayude a absorber la mayor parte de los picos de tensión si quieres un controlador de motor duradero. Como soy fan de la frase "si vale la pena hacerlo, vale la pena exagerar", típicamente colocaré un diodo TVS en paralelo con un Schottky en el lado bajo, con solo un Schottky en el lado alto, para asegurarme de que el Puente H sobreviva a lo que sea que se le presente. Las siguientes especificaciones de diodos pueden ser de importancia para ti cuando te encuentres con ellas en una hoja de datos.

TRR - Tiempo de Recuperación Inversa

La mayoría de los diodos Schottky vendidos hoy en día se consideran de recuperación rápida. Aunque más rápido es mejor, en el gran esquema de las cosas, la velocidad de recuperación no afectará mucho el rendimiento de tu Puente H. Cuando estás arrancando y deteniendo el motor rápidamente, el diodo conducirá en un sesgo hacia adelante cuando el motor se apague, y luego inmediatamente cambiará a un sesgo inverso cuando el motor se encienda de nuevo. El diodo conducirá corriente en un sesgo inverso por un intervalo muy corto. La corriente a través del diodo será bastante grande en una dirección inversa durante este pequeño tiempo de recuperación, y podría causar un disparo directo si el tiempo de recuperación es demasiado largo. Sin embargo, la mayoría de los diodos en el mercado se recuperan mucho más rápido de lo que la puerta del MOSFET puede apagarse, lo que hace que esto no sea un problema.

VR - Tensión Inversa DC

La tensión inversa necesita ser más alta que la máxima tensión que esperas que tu Puente H sea alimentado. Si estás usando baterías, asegúrate de tener en cuenta el estado máximo de carga en lugar del voltaje nominal. Si el diodo comienza a conducir en reversa, podrías empezar a ver algunos comportamientos extraños en tu motor antes de que las cosas comiencen a quemarse. La corriente inversa es relativamente baja, pero es suficiente para darte resultados extraños, especialmente en Puentes H de baja potencia.

VF - Tensión Directa DC

Esta especificación es una de las más críticas para un diodo Schottky, ya que necesita ser minimizada tanto como sea posible. Si tu tensión directa es más alta que el diodo de cuerpo del MOSFET, el MOSFET comenzará a limitar la tensión internamente en lugar de depender del diodo externo y puede terminar soportando la mayor parte de los picos de tensión del motor. Una tensión más baja también significa menos calentamiento del diodo, lo cual es conveniente con operación de alta frecuencia cuando ya estás lidiando con temperaturas elevadas de la placa debido a los MOSFETs.

IO - Corriente Rectificada

La corriente rectificada para el diodo no necesita ser particularmente sustancial, un 5%-20% de tu corriente del MOSFET (siendo el porcentaje mayor para MOSFETs más pequeños) normalmente sería suficiente. El diodo verá impulsos de alta corriente de corta duración cada vez que dejes de conducir el motor ya que limita el voltaje. Si conoces la inductancia de tu motor, puedes calcular esto, y si estás construyendo un puente H genérico, puedes calcular para un rango de motores o simplemente optar por una cifra aproximada. Esta es una buena especificación para probar en tus primeros prototipos con tu osciloscopio para ver si tus expectativas son realistas. Una advertencia aquí es que si la corriente es sustancialmente más baja de lo que esperas, podría significar que el MOSFET está conduciendo la corriente en lugar del diodo, lo cual no es bueno.

Especificaciones del Controlador FET

Puedes comprar controladores de puerta con una variedad de conteos de controladores. Sin embargo, para conducir un puente H, lo más probable es que estés interesado exclusivamente en modelos de dos o cuatro controladores. Los controladores individuales pueden ser útiles, pero tener cuatro controladores individuales ocupa mucho espacio en la placa, así que a menos que tengas una razón muy específica para ello, probablemente quieras las opciones dobles o cuádruples. Al mirar las opciones de controladores dobles, quieres asegurarte de que el controlador sea para un puente H, y no dos controladores de lado alto independientes en un solo paquete.

VIN - Voltaje de Alimentación

El voltaje de alimentación para el controlador es lo que alimentará sus circuitos internos, conducirá la puerta de lado bajo y creará el voltaje de arranque. Muchos controladores tienen un voltaje de arranque igual al voltaje de lado alto más el voltaje de alimentación. Si ya has seleccionado los MOSFETs para tu puente H, necesitarás asegurarte de que el voltaje de alimentación mínimo para el controlador sea menor que el voltaje máximo de puerta (VGS) del MOSFET. Si tu voltaje de alimentación mínimo al controlador es mayor que el máximo de la puerta, rápidamente destruirás el MOSFET, y cuando falle, cosas muy malas pueden suceder a tu placa de circuito ya que potencialmente cientos de amperios se cortocircuitan a través del puente H.

VBOOT - Voltaje de Arranque

Si el voltaje de arranque es otro que el voltaje de alimentación, necesitas asegurarte de que esto no será demasiado alto para el MOSFET. Revisa la especificación VGS en el MOSFET, para asegurarte de que esto no dañará la puerta.

VDD - Voltaje de Alimentación Lógica

Los microcontroladores modernos usualmente tienen un nivel lógico de 1.8v o 3.3v, pero algunos antiguos pueden estar funcionando con 5v. Asegúrate de que el controlador te permitirá usar las salidas de tu microcontrolador para la lógica directamente, así no necesitas componentes adicionales para traducir las señales a un voltaje más alto. Algunos controladores de puerta tienen umbrales lógicos de 4v o más, lo cual no funcionará con microcontroladores de voltaje más bajo.

IOHH - Corriente Máxima de Pullup

Como se ha mencionado muchas veces en este artículo, la razón principal por la que estás utilizando un circuito integrado de control de puerta es para poder desplazar grandes corrientes hacia la puerta para superar la capacitancia de la puerta y activar la puerta muy rápidamente. Una vez que tienes una idea del MOSFET que estás utilizando, algunos cálculos rápidos basados en la velocidad de tu PWM te darán una idea de la cantidad de energía que necesita ser trasladada a la puerta por segundo, lo que te permitirá tener una idea de la corriente máxima que el controlador necesita suministrar a la puerta.

IOLH - Corriente Máxima de Descarga

Esto es esencialmente lo mismo que la corriente de carga, solo que para drenar la capacitancia de la puerta cuando quieres que el MOSFET deje de conducir. Puedes suponer aproximadamente que necesitarás la misma cantidad de corriente de descarga que necesitas de carga si no quieres meterte demasiado en cálculos. Si estás utilizando un PWM de alta frecuencia particularmente, estos dos valores de corriente pueden terminar siendo los principales determinantes de qué controlador de puerta puedes usar.

Estos son los conceptos básicos para seleccionar los componentes que necesitas para construir un Puente H con MOSFET de Canal N para mover algunos motores grandes de alta corriente o alta tensión. La misma selección de opciones se aplica ya sea que estés trabajando con un motor de 5 amperios, 12 voltios o un motor de 80 amperios, 200 voltios. Tu diseño del Puente H será el mismo esquemático, solo con diferentes calificaciones en los componentes.

Recuerda que seleccionar componentes es un proceso iterativo. Una vez que hayas seleccionado el MOSFET, a menos que esa sea la única opción disponible, deberías reevaluar si sigue siendo la elección ideal después de seleccionar el controlador de puerta. Del mismo modo, si tus requisitos para la frecuencia de control cambian, podrías necesitar revisar las selecciones de componentes nuevamente. Básicamente, si algo en tu diseño o requisitos cambia, probablemente querrás volver a revisar tus selecciones de componentes para asegurarte de que las elecciones siguen siendo óptimas.

Puede parecer que hay muchas decisiones que tomar y muchas especificaciones complejas que considerar. Sin embargo, vuelve a mirar el esquemático del Puente H al inicio de este artículo – es bastante simple, ¿verdad? La mayoría de las especificaciones aquí son simplemente elecciones de sentido común, asegurando que cada componente pueda manejar la corriente y el voltaje que tu carga requiere. Resulta que puedes reducir muy fácilmente la lista de componentes posibles con solo unos pocos filtros en Octopart^®, luego seleccionar de la lista más corta lo que más se ajuste a tu aplicación.

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