Faire Bouger de Grands Moteurs à Balais

Malgré l'efficacité et le couple élevé des moteurs à courant continu sans balais, les gros moteurs à balais et les servomoteurs sont encore très courants dans de nombreuses applications industrielles. Cela est principalement dû au fait que les moteurs à balais sont plus simples à contrôler, et généralement moins chers à l'achat, et donc le besoin de les piloter n'est pas près de disparaître. Un petit circuit intégré de commande de moteur à balais ne suffira pas pour les moteurs industriels plus importants ou les servomoteurs nécessitant une haute tension, un ampérage élevé, ou les deux. Cela rend nécessaire la construction du pont en H à partir de composants discrets. Cela ne devrait pas être considéré comme une tâche redoutable, car ce n'est pas un schéma très compliqué ; cela se résume à 4 FETs avec des diodes de protection, un ensemble de pilotes de grille, et un circuit intégré de contrôle qui s'assure que vous ne court-circuitez rien. Les pilotes de grille et le circuit intégré de contrôle peuvent même être trouvés dans un seul paquet si vous le souhaitez.

Construction du pont en H

Voici un design typique de pont en H, sans les pilotes de grille. Vous avez deux options pour construire le pont, soit utiliser des MOSFETs de canal P pour le côté haut et de canal N pour le côté bas, soit utiliser des MOSFETs de canal N partout. Comme vous le savez sûrement, les MOSFETS de canal P ont une résistance RDS(on) (Résistance Interne) significativement plus élevée que ceux de canal N, ce qui génère beaucoup plus de chaleur à partir de la puissance dissipée dans la résistance lors de la conduction de courants élevés. Cependant, les FETs de canal P sont très pratiques à utiliser pour le côté haut, car un FET de canal N ne conduira que lorsque la tension de la grille est supérieure à la tension de la source appliquée. C'est là que les pilotes de grille interviennent, car ils sont capables de piloter la grille d'un FET de canal N en augmentant suffisamment la tension d'entrée, ce qui réduit le coût et la charge thermique sur le circuit imprimé.

Un autre avantage du pilote de grille est la capacité à déplacer beaucoup plus de courant dans la grille des MOSFETs et à drainer rapidement la charge hors de celle-ci qu'une broche de microcontrôleur typique pourrait le faire. Si vous utilisez simplement le pont en H pour allumer le moteur dans un sens ou dans l'autre, cela ne vous sera pas d'un grand avantage. Cependant, si vous utilisez une PWM haute fréquence pour varier la vitesse du moteur, ou pour construire un servomoteur, cette capacité à piloter de grandes quantités de courant vers et depuis la grille des FETs peut vous permettre de construire une solution très performante.

En raison de l'énorme avantage des FETs de canal N en ce qui concerne la résistance interne et la capacité de grille, nous allons nous concentrer exclusivement sur la construction d'un pont en H avec du canal N des deux côtés.

Contrôle du pont en H

Pilotes Doubles

Si vous travaillez avec des tensions élevées, des vitesses PWM élevées, ou les deux, vous pourriez envisager d'utiliser deux pilotes individuels pour le pont en H. Alors que les pilotes de grille MOSFET uniques sont excellents, une tension et un courant élevés dépasseront les limites opérationnelles d'un seul circuit intégré en raison des contraintes de conditionnement. Vous pourriez utiliser des fréquences PWM élevées pour les pilotes si vous construisez un contrôleur de servomoteur à courant continu, et avez besoin de faire de nombreux petits ajustements à la position du moteur. De telles fréquences nécessitent de charger et de décharger rapidement la charge de la grille sur le MOSFET, ce qui à son tour nécessite un courant significatif.

Dans ce schéma, j'utilise deux Infineon 2EDL05N06PFXUMA1 de la gamme de pilotes de porte EiceDriver. Les signaux de la table de vérité doivent être bien gérés par le microcontrôleur pour s'assurer que vous n'avez pas une condition de court-circuit qui va instantanément griller le pont en H. Le compromis pour cette absence de protection contre une mauvaise programmation par rapport à un package de pilote de pont complet intégré est une capacité de commande jusqu'à 600V et un courant de source/puits significatif pour commuter rapidement la porte.

Les captures d'écran du schéma ci-dessus proviennent de mon répertoire de servo robuste sur GitHub. Ce projet open source est basé sur le travail open source de Citrus CNC dans leurs entraînements de servo DC Tarocco. Ce pilote de servo DC 100V a été utilisé pour contrôler les moteurs dans un projet de conversion Siemens SiPlace.

Pilote unique

Si vous travaillez avec des tensions plus basses, l'utilisation d'un circuit intégré pour gérer les deux côtés du pont en H devient faisable et peut offrir des économies d'espace ainsi qu'une tranquillité d'esprit avec une protection intégrée contre les courts-circuits. Lorsque j'ai besoin d'un pilote unique, je me tourne généralement vers le Renesas HIP4081A, qui provient d'un long héritage de contrôleurs de qualité industrielle de la même série.

Le HIP4081A et la plupart des autres pilotes sont très simples à mettre en œuvre, nécessitant juste quelques composants passifs pour le découplage et le bootstrap pour les tensions de porte côté haut. Le schéma ci-dessus provient d'un contrôleur de moteur de 12V, 100A qui a été utilisé dans l'industrie du pétrole et du gaz.

Spécifications à considérer

Que vous utilisiez des pilotes de porte simples, doubles ou quadruples pour votre pont en H, les spécifications de base à considérer seront les mêmes. Vos principales préoccupations se porteront probablement vers les MOSFET utilisés dans le pont, ainsi que les diodes de protection qui les accompagnent. Une fois que vous avez sélectionné chaque pièce, cependant, vous devrez revenir sur vos autres pièces sélectionnées pour vous assurer que le système est optimal. Les points critiques ici sont la tension de porte à source sur le MOSFET par rapport à la tension de sortie du pilote de FET, et la tension de serrage de la diode de protection par rapport à la tension maximale de drain-source du MOSFET. Si vous utilisez un PWM haute fréquence pour le pont en H, vous devrez également considérer le courant du pilote de FET par rapport à la charge de porte/capacité d'entrée du MOSFET. Nous passerons cependant en revue les spécifications de chaque pièce dans notre pont en H en détail pour servir de guide dans votre processus de sélection des pièces.

Spécifications des MOSFET

Il existe quelques listes de températures pertinentes que vous pourriez voir dans une fiche technique qui entraînent une dégradation de certaines de ces spécifications, ce qui peut être déroutant si on n'y est pas habitué régulièrement. Vous verrez typiquement T_A, T_C et T_J listés :

• T_A est la température de l'appareil sans aucun refroidissement autre que le PCB à température ambiante, qui est typiquement listée à 25°C.

• T_C est la température du boîtier, ce qui suppose que le boîtier est refroidi de force à cette température par un grand dissipateur thermique et un refroidissement forcé par air ou liquide.

• T_J est la température de la jonction de la porte, le silicium à l'intérieur du boîtier. Il n'est pas possible de mesurer cela sans décapsuler le CI, donc vous devrez utiliser les caractéristiques thermiques de l'appareil pour calculer cela.

Si vous n'utilisez pas un grand dissipateur thermique et un refroidissement actif (air forcé ou liquide) vous devriez baser vos sélections sur les évaluations T_A pour créer une présélection, puis sortir la calculatrice et calculer réellement quel appareil fonctionnera le mieux pour votre circuit spécifique. Les MOSFETs peuvent continuer à fonctionner bien au-delà de ce que vous pourriez juger raisonnable pour d'autres dispositifs sur le circuit imprimé. Ils fonctionnent dans leurs paramètres spécifiés avec des températures de jonction atteignant ou dépassant 175°C, ce qui vous donne beaucoup de marge pour le MOSFET. Cependant, d'autres composants sur le circuit imprimé à proximité peuvent ne pas être aussi satisfaits de telles températures élevées pendant des durées prolongées. Ci-dessous se trouvent certains des paramètres les plus importants d'un MOSFET et comment ils affectent votre contrôleur.

Vdss - Tension Drain-Source

La tension du MOSFET devrait être assez évidente, mais si vous vous concentrez trop sur l'optimisation d'autres spécifications, vous pourriez accidentellement sélectionner une pièce qui est un peu trop basse en tension que vous en avez besoin. La tension doit être, au minimum, la tension d'alimentation du moteur, mais en réalité, elle devrait être au moins 25% plus élevée, car vous verrez un grand pic lors du freinage du moteur alors qu'il se déplace rapidement. Ainsi, c'est une bonne spécification à revenir et à revérifier une fois que vous avez sélectionné vos diodes de protection. Assurez-vous que Vdss est supérieur à la tension de blocage des diodes ou votre MOSFET brûlera rapidement.

VGS - Tension de Grille à Source

Certains pilotes de MOSFET généreront des tensions plus élevées que d'autres ; bien que cela ne soit généralement pas un problème, cela vaut la peine d'y penser. Par exemple, si votre pilote génère une tension qui est de 10V supérieure à la tension de source, mais que le MOSFET ne peut survivre qu'à 8V, il pourrait ne pas durer très longtemps. De même, certains MOSFETs pourraient nécessiter une tension de commande plus élevée pour atteindre le minimum de RDS(on), et votre pilote peut ne pas fournir cette tension. VGS et RDS(on) à VGS du MOSFET devraient donc être évalués lors de l'examen du CI pilote de MOSFET pour assurer un système optimal.

RDS(on) - Résistance interne Drain-Source/Résistance en série

La résistance du FET est une spécification critique car elle est directement liée à la quantité d'énergie perdue sous forme de chaleur dans le circuit intégré. Si le boîtier ne peut pas évacuer la chaleur assez rapidement, le circuit intégré peut entrer en mode d'auto-protection, ou libérer sa fumée magique. Avec un RDS(on) plus faible, vous pouvez également avoir un dissipateur thermique plus petit ou une zone de cuivre autour de l'IC. Indépendamment du courant nominal de l'appareil, la chaleur est le véritable limiteur. Si vous avez une zone limitée autour du pilote pour le versement de cuivre agissant comme un dissipateur thermique, vous devrez prioriser la spécification RDS(on) afin que le pilote génère le moins de chaleur possible.

ID - Courant de Drain

À moins que vous ne pulsiez le moteur de manière irrégulière, ou que vous ayez un très grand dissipateur thermique, le courant de drain est probablement l'une des spécifications les moins critiques pour comparer les MOSFETs. Comme pour Vdss, vous devez vous assurer que votre dispositif choisi a un ID suffisamment élevé pour permettre à votre moteur de fonctionner, y compris le courant de démarrage et de blocage. L'ID ne sera probablement pas un facteur limitant pour l'appareil, puisque la capacité à évacuer suffisamment de chaleur du jonction/boîtier est susceptible d'être la véritable limite de la quantité de courant que vous pouvez faire passer à travers l'appareil. Certains fabricants tels qu'Infineon listeront l'ID dans leurs fiches techniques pour diverses conditions (tension VGS, zone de cuivre, etc) pour vous donner une idée de la dégradation. La fiche technique de l'IPT004N03LATMA1 par exemple montre que l'appareil est capable de 300A dans la plupart des conditions. Cependant, avec seulement 6cm2 de zone de cuivre, il n'est capable que de 72A.

Ptot - Dissipation de Puissance

Typiquement, vous trouverez que Ptot est significativement plus limitant que ID. Si nous regardons un autre MOSFET dans un boîtier remarquablement petit avec un RDS(on) beaucoup plus élevé que le MOSFET Infineon incroyable ci-dessus, tel que le Nexperia PMZB290UNE, nous pouvons voir comment la dissipation de puissance totale maximale limite l'utilisation. Ce dispositif a un RDS(on) de 380 milliohms, un courant maximal de 1 ampère et une tension maximale de 20 volts. Avec 1cm2 de zone de cuivre, et une température ambiante de 25°C, la dissipation de puissance maximale de ce dispositif est évaluée à 360mW. Nous pouvons remarquer que cette évaluation est atteinte avec seulement 290mA et 3.3V, ce qui est bien moins que les évaluations de tension ou de courant de l'appareil. Nous pouvons conclure que l'appareil supporte jusqu'à 20V, ou jusqu'à 1A, mais pas les deux en même temps en raison des contraintes de dissipation de puissance totale.

QG - Charge de Porte

Au début de l'article, j'ai mentionné comment la capacité d'un pilote à déplacer beaucoup de courant dans la porte d'un MOSFET est importante. La charge de porte, qui est responsable de la capacité de porte, est la plupart du temps la raison derrière cela. Chaque fois que vous activez la porte, vous devez fournir cette quantité d'énergie, ou la porte ne s'activera pas. Plus vous pouvez fournir la charge rapidement, plus vous pouvez activer la porte rapidement. Plus vous activez et désactivez la porte rapidement et fréquemment, plus votre courant de porte sera élevé. Ces charges sont assez petites, mais si vous activez la porte un million de fois par seconde, le courant requis pour charger et décharger la porte s'accumule de manière significative. Vous pouvez lire en détail comment la charge de porte affecte le temps de commutation dans une note d'application approfondie de Vishay. Généralement, cependant, lorsque vous examinez un pilote, vous devez considérer combien de courant il devra fournir en calculant la quantité de charge que votre MOSFET a besoin à la fréquence à laquelle votre système fonctionnera.

Ciss - Capacité d'entrée

Très étroitement liée à la charge de grille est la capacité d'entrée. La capacité d'entrée est la somme de la capacité grille-source (Cgs) et de la capacité grille-drain (Cgd). La capacité d'entrée est la capacité du MOSFET dans son ensemble, vue depuis l'entrée. La charge de grille est la quantité de charge nécessaire pour piloter la capacité d'entrée, pour que le MOSFET fonctionne.

Spécifications de la diode de protection

La fonctionnalité de diode du MOSFET est excellente, mais ce n'est pas ce que vous voulez utiliser pour écrêter les pics de tension transitoires provenant du moteur lorsqu'il est arrêté ou inversé. Ces tensions peuvent être assez élevées et peuvent très rapidement brûler ou dégrader le MOSFET. D'après mon expérience, cela n'a pas vraiment d'importance si vous utilisez une diode TVS ou une Schottky, vous avez juste besoin de quelque chose pour aider à absorber l'impact des pics de tension si vous voulez un contrôleur de moteur durable. Comme je suis fan de l'expression "si ça vaut la peine d'être fait, ça vaut la peine d'être sur-fait", je mettrai typiquement une diode TVS en parallèle avec une Schottky sur le côté bas, avec juste une Schottky sur le côté haut, pour être sûr que le pont en H survivra à tout ce qui lui est lancé. Les spécifications de diode suivantes peuvent être importantes pour vous lorsque vous les rencontrez sur une fiche technique.

TRR - Temps de récupération inverse

La plupart des diodes Schottky vendues aujourd'hui sont considérées comme à récupération rapide. Bien que plus rapide soit mieux, dans le grand schéma des choses, la vitesse de récupération n'affectera pas beaucoup la performance de votre pont en H. Lorsque vous démarrez et arrêtez rapidement le moteur, la diode sera en conduction en polarisation directe lorsque le moteur s'éteint, puis passera immédiatement en polarisation inverse lorsque le moteur se rallume. La diode conduira le courant en polarisation inverse pendant un très court intervalle. Le courant à travers la diode sera assez important dans une direction inverse pendant ce petit temps de récupération, et pourrait causer un court-circuit si le temps de récupération est trop long. Cependant, la plupart des diodes sur le marché se récupèrent beaucoup plus rapidement que la grille du MOSFET ne peut s'éteindre, ce qui rend cela non problématique.

VR - Tension inverse DC

La tension inverse doit être supérieure à la tension maximale que vous attendez de votre pont en H. Si vous utilisez des batteries, assurez-vous de prendre en compte l'état de charge maximal plutôt que la tension nominale. Si la diode commence à conduire en inverse, vous pourriez commencer à voir des comportements étranges dans votre moteur avant que les choses commencent à brûler. Le courant inverse est relativement faible, mais c'est suffisant pour vous donner des résultats étranges, surtout dans les ponts en H de faible puissance.

VF - Tension directe DC

Cette spécification est l'une des plus critiques pour une diode Schottky, car elle doit être minimisée autant que possible. Si votre tension directe est supérieure à celle de la diode interne du MOSFET, le MOSFET commencera à écrêter la tension en interne plutôt que de compter sur la diode externe et pourrait finir par supporter l'essentiel des pics de tension du moteur. Une tension plus basse signifie également moins de chauffage de la diode, ce qui est pratique avec un fonctionnement à haute fréquence lorsque vous avez déjà à faire à des températures de carte élevées en raison des MOSFETs.

IO - Courant redressé

Le courant redressé pour la diode n'a pas besoin d'être particulièrement substantiel, 5%-20% de votre courant MOSFET (avec le pourcentage le plus élevé pour les MOSFETs plus petits) serait normalement suffisant. La diode verra des impulsions de courte durée de courant élevé chaque fois que vous arrêtez de conduire le moteur car elle bride la tension. Si vous connaissez l'inductance de votre moteur, vous pouvez calculer cela, et si vous construisez un pont en H générique, vous pouvez calculer pour une gamme de moteurs ou juste opter pour une estimation approximative. C'est une bonne spécification à tester sur vos premiers prototypes avec votre oscilloscope pour voir si vos attentes sont réalistes. Une mise en garde ici est que si le courant est substantiellement plus bas que ce que vous attendez, cela pourrait signifier que le MOSFET conduit le courant plutôt que la diode, ce qui n'est pas bon.

Spécifications du pilote FET

Vous pouvez acheter des pilotes de porte avec une variété de nombres de pilotes. Cependant, pour conduire un pont en H, vous allez probablement être intéressé exclusivement par des modèles à deux ou quatre pilotes. Les pilotes uniques peuvent être utiles, mais avoir quatre pilotes uniques prend beaucoup d'espace sur le circuit imprimé, donc à moins que vous n'ayez une raison très spécifique pour cela, vous voulez probablement les options doubles ou quadruples. Lorsque vous regardez les options de pilote double, vous voulez vous assurer que le pilote est pour un pont en H, et n'est pas deux pilotes de côté haut indépendants dans un seul paquet.

VIN - Tension d'Alimentation

La tension d'alimentation pour le pilote est ce qui alimentera ses circuits internes, conduira la porte du côté bas, et créera la tension de bootstrap. De nombreux contrôleurs ont une tension de bootstrap égale à la tension du côté haut plus la tension d'alimentation. Si vous avez déjà sélectionné les MOSFETs pour votre pont en H, vous devrez vous assurer que la tension d'alimentation minimale pour le pilote est inférieure à la tension de porte maximale (VGS) du MOSFET. Si votre tension d'alimentation minimale au pilote est supérieure au maximum de la porte, vous détruirez rapidement le MOSFET, et lorsqu'il échoue, de très mauvaises choses peuvent arriver à votre circuit imprimé car potentiellement des centaines d'ampères se court-circuitent à travers le pont en H.

VBOOT - Tension de Bootstrap

Si la tension de bootstrap est autre que la tension d'alimentation, vous devez vous assurer que cela ne sera pas trop élevé pour le MOSFET. Vérifiez la spécification VGS sur le MOSFET, pour vous assurer que cela ne endommagera pas la porte.

VDD - Tension d'Alimentation Logique

Les microcontrôleurs modernes ont généralement un niveau logique de 1,8v ou 3,3v, mais certains plus anciens peuvent fonctionner sous 5v. Assurez-vous que le pilote vous permettra d'utiliser les sorties de votre microcontrôleur pour la logique directement afin que vous n'ayez pas besoin de composants supplémentaires pour traduire les signaux en une tension plus élevée. Certains pilotes de porte ont des seuils logiques de 4v ou plus, ce qui ne fonctionnera pas avec des microcontrôleurs à basse tension.

IOHH - Courant de Tirage de Crête

Comme mentionné à plusieurs reprises dans cet article, la principale raison pour laquelle vous utilisez un circuit intégré de commande de grille est de pouvoir déplacer de grands courants vers la grille pour surmonter la capacité de la grille et activer la grille très rapidement. Une fois que vous avez une idée du MOSFET que vous utilisez, quelques calculs rapides basés sur la vitesse de votre MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) vous donneront une idée de la quantité d'énergie nécessaire à déplacer vers la grille par seconde, ce qui vous permettra de comprendre le courant de pointe que le pilote doit fournir à la grille.

IOLH - Courant de Tirage de Pointe

Cela revient essentiellement au même que le courant de tirage, seulement pour drainer la capacité de la grille lorsque vous voulez que le MOSFET cesse de conduire. Vous pouvez grossièrement supposer que vous aurez besoin de la même quantité de courant de tirage que de courant de tirage si vous ne voulez pas trop entrer dans les calculs. Si vous utilisez une MLI de fréquence particulièrement élevée, ces deux valeurs de courant peuvent finir par être les principaux déterminants du pilote de grille que vous pouvez utiliser.

Voici les bases de la sélection des composants dont vous avez besoin pour construire un pont en H MOSFET N-Canal pour déplacer des moteurs à courant élevé ou à haute tension. Le même choix de sélection s'applique que vous travailliez avec un moteur de 5 ampères, 12 volts ou un moteur de 80 ampères, 200 volts. Votre conception de pont en H sera le même schéma, juste avec des évaluations différentes sur les composants.

Rappelez-vous que la sélection des composants est un processus itératif. Une fois que vous avez sélectionné le MOSFET, à moins que ce soit la seule option disponible, vous devriez réévaluer s'il est toujours le choix idéal après avoir sélectionné le pilote de grille. De même, si vos exigences pour la fréquence de contrôle changent, vous pourriez avoir besoin de revoir à nouveau la sélection des composants. En gros, si quoi que ce soit dans votre conception ou vos exigences change, vous voudrez probablement repasser par votre sélection de composants pour vous assurer que les choix sont toujours optimaux.

Il peut sembler qu'il y a beaucoup de décisions à prendre, et beaucoup de spécifications complexes à considérer. Cependant, jetez un autre coup d'œil au schéma du pont en H au début de cet article – c'est assez simple, n'est-ce pas ? La plupart des spécifications ici sont juste des choix de bon sens, s'assurant que chaque composant peut gérer le courant et la tension que votre charge requiert. Il s'avère que vous pouvez très facilement réduire la liste des composants possibles avec juste quelques filtres sur Octopart^®, puis sélectionner dans la liste réduite ce qui convient le plus à votre application.

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