Far Muovere Grandi Motori Spazzolati

Nonostante l'efficienza e l'alto torque dei motori DC senza spazzole, i grandi motori con spazzole e i servo sono ancora molto comuni in molte applicazioni industriali. Questo è principalmente perché i motori con spazzole sono più semplici da controllare, e tipicamente più economici da acquistare, e quindi la necessità di pilotarli non sta scomparendo. Un piccolo circuito integrato driver per motori con spazzole non è sufficiente per motori industriali di grandi dimensioni o servo che richiedono alta tensione, amperaggio, o entrambi. Questo rende necessaria la costruzione del ponte H con componenti discreti. Questo non dovrebbe essere considerato un compito arduo, poiché non si tratta di uno schema molto complicato; si riduce a 4 FET con diodi di protezione, un set di driver per i gate, e un IC di controllo che assicura di non cortocircuitare nulla. I driver per i gate e l'IC di controllo possono anche essere trovati in un unico pacchetto, se lo si desidera.

Costruire il Ponte H

Questo è un tipico design di ponte H, senza i driver per i gate. Hai due opzioni per costruire il ponte, o usare MOSFET a canale P per il lato alto e a canale N per il lato basso, o usare MOSFET a canale N su entrambi i lati. Come sicuramente saprai, i MOSFET a canale P hanno una resistenza interna RDS(on) significativamente più alta rispetto a quelli a canale N, il che genera molto più calore dalla potenza dissipata nella resistenza quando conducono alte correnti. Tuttavia, i FET a canale P sono molto comodi da usare per il lato alto, poiché un FET a canale N conduce solo quando al gate viene applicata una tensione superiore rispetto alla sorgente. Qui entrano in gioco i driver per i gate, poiché sono in grado di pilotare il gate di un FET a canale N aumentando sufficientemente la tensione in ingresso, riducendo così i costi e il carico termico sulla scheda circuitale.

Un altro vantaggio del driver per i gate è la capacità di muovere molta più corrente nel gate dei MOSFET e di drenare rapidamente la carica da esso rispetto a quanto potrebbe fare un tipico pin di un microcontrollore. Se stai semplicemente usando il ponte H per accendere il motore in una direzione o nell'altra, questo non sarà di grande vantaggio per te. Tuttavia, se stai usando PWM ad alta frequenza per variare la velocità del motore, o per costruire un servo, questa capacità di pilotare grandi quantità di corrente verso e dal gate dei FET può permetterti di costruire una soluzione ad alte prestazioni.

A causa del grande vantaggio dei FET a canale N quando si tratta di resistenza interna e capacità del gate, ci concentreremo esclusivamente sulla costruzione di un ponte H con canale N sia sul lato alto che su quello basso.

Controllare il Ponte H

Driver Doppi

Se stai lavorando con alte tensioni, alte velocità PWM, o entrambi, potresti voler considerare l'uso di due driver individuali per il Ponte H. Mentre i driver singoli per i gate dei MOSFET sono ottimi, alte tensioni e correnti supereranno i limiti operativi di un singolo IC a causa dei vincoli di confezionamento. Potresti essere in esecuzione ad alte frequenze PWM per i driver se stai costruendo un controller per servo DC, e hai bisogno di fare molti piccoli aggiustamenti alla posizione del motore. Tali frequenze richiedono di caricare e scaricare rapidamente la carica sul gate del MOSFET, il che a sua volta richiede una corrente significativa.

In questo schema, utilizzo due Infineon 2EDL05N06PFXUMA1 della gamma di driver per gate EiceDriver. I segnali della tabella di verità devono essere ben gestiti dal microcontrollore per assicurarsi di non avere una condizione di shoot-through che distruggerebbe istantaneamente il ponte H. Il compromesso per questa mancanza di protezione contro una cattiva programmazione, rispetto a un pacchetto driver per ponte completo integrato, è la capacità di pilotaggio fino a 600V e una corrente significativa di sorgente/scarico per commutare rapidamente il gate.

Gli screenshot dello schema sopra provengono dal mio repository di servo ad alta resistenza su GitHub. Questo progetto open source si basa sul lavoro open source di Citrus CNC nei loro azionamenti servo DC Tarocco. Questo driver servo DC da 100V è stato utilizzato per controllare i motori in un progetto di conversione Siemens SiPlace.

Driver Singolo

Se lavori con tensioni più basse, l'utilizzo di un circuito integrato per gestire entrambi i lati del ponte H diventa fattibile e può offrire alcuni vantaggi in termini di risparmio di spazio così come tranquillità con la protezione integrata contro lo shoot-through. Quando ho bisogno di un driver singolo, mi rivolgo tipicamente al Renesas HIP4081A, che proviene da una lunga eredità di controllori di qualità industriale della stessa serie.

L'HIP4081A e la maggior parte degli altri driver sono molto semplici da implementare, con solo un paio di componenti passivi necessari per il decoupling e il bootstrapping per le alte tensioni del gate. Lo schema sopra proviene da un controller motore da 12V, 100A che è stato utilizzato nell'industria del petrolio e del gas.

Specifiche da Considerare

Sia che tu utilizzi driver per gate singoli, doppi o quadrupli per il tuo ponte H, le specifiche di base da considerare saranno le stesse. Le tue principali preoccupazioni saranno probabilmente rivolte ai MOSFET utilizzati nel ponte, così come alle diodi di protezione che li accompagnano. Una volta selezionata ogni parte, tuttavia, dovrai rivedere le altre parti selezionate per assicurarti che il sistema sia ottimale. I punti critici qui sono la tensione Gate to Source sui MOSFET rispetto alla tensione di uscita del driver FET, e la tensione di clamp dei diodi di protezione rispetto alla tensione massima drain-source del MOSFET. Se stai utilizzando PWM ad alta frequenza per il ponte H, dovrai anche considerare la corrente del driver FET rispetto alla carica del gate/capacità di ingresso del MOSFET. Tuttavia, passeremo in grande dettaglio le specifiche di ogni parte nel nostro ponte H per servire come guida nel processo di selezione delle parti.

Specifiche dei MOSFET

Ci sono un paio di elenchi di temperature rilevanti che potresti vedere in un datasheet che causano la derating di alcune di queste specifiche, il che può essere confuso se non si ha a che fare regolarmente. Tipicamente vedrai elencati T_A, T_C e T_J:

• T_A è la temperatura del dispositivo senza alcun raffreddamento oltre alla PCB a temperatura ambiente, che tipicamente è elencata come 25°C.

• T_C è la temperatura del case, che assume che il case sia raffreddato forzatamente a questa temperatura da un grande dissipatore e da aria o raffreddamento a liquido forzato.

• T_J è la temperatura della giunzione del gate, il silicio all'interno del pacchetto. Non è possibile misurare questa temperatura senza decapsulare l'IC, quindi sarà necessario utilizzare le caratteristiche termiche del dispositivo per calcolarla.

Se non stai utilizzando un grande dissipatore e raffreddamento attivo (aria forzata o liquido) dovresti basare le tue selezioni sulle valutazioni di TA per creare una lista preliminare, poi tirare fuori la calcolatrice e calcolare effettivamente quale dispositivo funzionerà meglio per il tuo circuito specifico. I MOSFET possono continuare a funzionare bene oltre quello che potresti ritenere ragionevole per altri dispositivi sulla scheda di circuito. Funzionano entro i loro parametri specificati con temperature della giunzione che raggiungono o superano i 175°C, il che ti dà molto margine per il MOSFET. Tuttavia, altri componenti sulla scheda di circuito nelle vicinanze potrebbero non essere così contenti di temperature così elevate per durate prolungate. Di seguito sono elencati alcuni dei parametri più importanti di un MOSFET e come influenzano il tuo controller.

Vdss - Tensione Drain to Source

La tensione del MOSFET dovrebbe essere piuttosto ovvia, ma se ti concentri troppo sull'ottimizzazione di altre specifiche, potresti accidentalmente selezionare un componente che ha una tensione un po' troppo bassa rispetto a quella di cui hai bisogno. La tensione deve essere, al minimo, la tensione di alimentazione al motore, ma realisticamente dovrebbe essere almeno del 25% superiore, poiché vedrai un grande picco quando freni il motore mentre si muove rapidamente. Pertanto, questa è una buona specifica da ricontrollare una volta che hai selezionato i tuoi diodi di protezione. Assicurati che Vdss sia superiore alla tensione di zavorra dei diodi o il tuo MOSFET si brucerà rapidamente.

VGS - Tensione Gate to Source

Alcuni driver per MOSFET genereranno tensioni più alte di altri; sebbene questo di solito non sia un problema, vale la pena tenerlo a mente. Ad esempio, se il tuo driver genera una tensione che è 10V superiore alla tensione di sorgente, ma il MOSFET è in grado di sopravvivere solo a 8V, potrebbe non durare molto. Allo stesso modo, alcuni MOSFET potrebbero richiedere una tensione di pilotaggio più alta per raggiungere il minimo RDS(on), e il tuo driver potrebbe non fornire quella tensione. VGS e RDS(on) a VGS del MOSFET dovrebbero quindi essere valutati quando si guarda al driver IC del MOSFET per garantire un sistema ottimale.

RDS(on) - Resistenza interna On Drain-Source/Resistenza in serie interna

La resistenza del FET è una specifica critica poiché è direttamente correlata alla quantità di energia persa sotto forma di calore nel circuito integrato. Se il pacchetto non riesce a dissipare il calore abbastanza velocemente, il circuito integrato potrebbe entrare in una modalità di auto-protezione, o "rilasciare il suo fumo magico". Con un RDS(on) più basso, è possibile avere anche un dissipatore di calore più piccolo o un'area di rame intorno all'IC. Indipendentemente dalla corrente nominale del dispositivo, il calore è il vero limitatore. Se si dispone di un'area limitata intorno al driver per il versamento di rame che funge da dissipatore di calore, sarà necessario dare priorità alla specifica RDS(on) affinché il driver generi il minor calore possibile.

ID - Corrente di Scarico

A meno che non si stia pulsando il motore in modo irregolare, o si disponga di un dissipatore di calore molto grande, la corrente di scarico è probabilmente una delle specifiche meno critiche per confrontare i MOSFET. Come per Vdss, è necessario assicurarsi che il dispositivo scelto abbia un ID sufficientemente alto per permettere al motore di funzionare, inclusi la corrente di avviamento e di stallo. ID probabilmente non sarà un fattore limitante per il dispositivo, poiché la capacità di rimuovere calore sufficiente dal giunto/pacchetto sarà probabilmente il vero limite alla quantità di corrente che si può far passare attraverso il dispositivo. Alcuni produttori come Infineon elencheranno l'ID nei loro datasheet per varie condizioni (tensione VGS, area di rame, ecc) per darvi un'idea del de-rating. Il datasheet di IPT004N03LATMA1, ad esempio, mostra il dispositivo capace di 300A nella maggior parte delle condizioni. Tuttavia, con solo 6cm2 di area di rame è capace solo di 72A.

Ptot - Dissipazione di Potenza

Tipicamente, troverete Ptot essere significativamente più limitante di ID. Se guardiamo un altro MOSFET in un pacchetto notevolmente piccolo con un RDS(on) molto più alto rispetto all'incredibile MOSFET di Infineon sopra, come il Nexperia PMZB290UNE, possiamo vedere come la massima dissipazione totale di potenza limiti l'uso. Questo dispositivo ha un RDS(on) di 380 milliohm, una corrente massima di 1 ampere e una tensione massima di 20 volt. Con 1cm2 di area di rame, e una temperatura ambiente di 25°C, la massima dissipazione di potenza di questo dispositivo è valutata a 360mW. Possiamo notare che questa valutazione è raggiunta con solo 290mA e 3.3V, che è molto meno della valutazione di tensione o corrente del dispositivo. Possiamo concludere che il dispositivo supporta fino a 20V, o fino a 1A, ma non entrambi contemporaneamente a causa dei vincoli di dissipazione di potenza totale.

QG - Carica del Gate

All'inizio dell'articolo, ho menzionato come la capacità di un driver di muovere molta corrente nel gate di un MOSFET sia importante. La carica del gate, che è responsabile della capacità del gate, è la maggior parte del motivo dietro ciò. Ogni volta che si accende il gate, è necessario fornire questa quantità di energia, altrimenti il gate non si accenderà. Più velocemente si può fornire la carica, più velocemente si può accendere il gate. Più velocemente e frequentemente si accende il gate, maggiore sarà la corrente del gate. Queste cariche sono piuttosto piccole, ma se si accende il gate un milione di volte al secondo, la corrente richiesta per caricare e scaricare il gate si somma significativamente. Si può leggere in grande dettaglio su come la carica del gate influisce sul tempo di commutazione in una nota applicativa approfondita da Vishay. Generalmente, però, quando si guarda a un driver, è necessario considerare quanta corrente avrà bisogno di fornire calcolando la quantità di carica che il vostro MOSFET necessita alla frequenza a cui il vostro sistema funzionerà.

Ciss - Capacità di Ingresso

Strettamente correlata alla carica di gate è la capacità di ingresso. La capacità di ingresso è la somma della capacità gate-source (Cgs) e della capacità gate-drain (Cgd). La capacità di ingresso è la capacità del MOSFET nel suo complesso, vista dall'ingresso. La carica di gate è la quantità di carica necessaria per pilotare la capacità di ingresso, affinché il MOSFET funzioni.

Specifiche del Diodo di Protezione

La funzionalità di diodo del MOSFET è ottima, ma non è ciò che si desidera utilizzare per limitare i picchi di tensione transitori causati dall'arresto o dall'inversione del motore. Queste tensioni possono essere molto alte e possono bruciare o degradare molto rapidamente il MOSFET. Nella mia esperienza, non importa realmente se si utilizza un diodo TVS o uno Schottky, è necessario solo qualcosa che aiuti ad assorbire l'impatto dei picchi di tensione se si desidera un controllore del motore durevole. Essendo un fan del detto "se vale la pena fare qualcosa, vale la pena farlo bene", di solito metto un diodo TVS in parallelo con uno Schottky sul lato basso, con solo uno Schottky sul lato alto, per essere sicuro che il ponte H sopravviva a qualsiasi cosa gli venga lanciata. Le seguenti specifiche dei diodi possono essere importanti per te quando le incontri su un foglio dati.

TRR - Tempo di Recupero al Contrario

La maggior parte dei diodi Schottky venduti oggi sono considerati a recupero rapido. Anche se più veloce è meglio, nel grande schema delle cose, la velocità di recupero non influenzerà molto le prestazioni del tuo ponte H. Quando si avvia e si ferma rapidamente il motore, il diodo sarà in conduzione in polarizzazione diretta quando il motore si spegne, per poi passare immediatamente a una polarizzazione inversa quando il motore si riaccende. Il diodo condurrà corrente in polarizzazione inversa per un intervallo molto breve. La corrente attraverso il diodo sarà abbastanza grande in direzione inversa durante questo piccolo tempo di recupero e potrebbe causare un cortocircuito se il tempo di recupero è troppo lungo. Tuttavia, la maggior parte dei diodi sul mercato si recupera molto più velocemente di quanto il gate del MOSFET possa spegnersi, il che rende questo un non problema.

VR - Tensione Inversa DC

La tensione inversa deve essere superiore alla massima tensione che ci si aspetta sia alimentato il ponte H. Se si utilizzano batterie, assicurarsi di prendere in considerazione lo stato di carica massimo piuttosto che la tensione nominale. Se il diodo inizia a condurre in inversa, si potrebbero iniziare a vedere alcuni comportamenti strani nel motore prima che le cose inizino a bruciare. La corrente inversa è relativamente bassa, ma è sufficiente per ottenere risultati strani, specialmente in ponti H di bassa potenza.

VF - Tensione Diretta DC

Questa specifica è una delle più critiche per un diodo Schottky, poiché deve essere minimizzata il più possibile. Se la tua tensione diretta è superiore al diodo del corpo del MOSFET, il MOSFET inizierà a limitare la tensione internamente piuttosto che fare affidamento sul diodo esterno e potrebbe finire per sopportare l'impatto dei picchi di tensione del motore. Una tensione più bassa significa anche meno riscaldamento del diodo, il che è conveniente con un funzionamento ad alta frequenza quando si stanno già affrontando temperature elevate della scheda a causa dei MOSFET.

IO - Corrente Rettificata

La corrente rettificata per il diodo non deve essere particolarmente sostanziale, il 5%-20% della corrente del tuo MOSFET (con la percentuale maggiore per i MOSFET più piccoli) dovrebbe normalmente essere sufficiente. Il diodo vedrà impulsi di breve durata di alta corrente ogni volta che smetti di pilotare il motore poiché blocca la tensione. Se conosci l'induttanza del tuo motore, puoi calcolare questo, e se stai costruendo un ponte H generico, puoi calcolare per una gamma di motori o semplicemente optare per una stima approssimativa. Questa è una buona specifica da testare sui tuoi primi prototipi con l'oscilloscopio per vedere se le tue aspettative sono realistiche. Una cautela qui è che se la corrente è sostanzialmente inferiore a quanto ti aspetti, potrebbe significare che il MOSFET sta conducendo la corrente piuttosto che il diodo, il che non è buono.

Specifiche del Driver FET

Puoi acquistare driver di gate con una varietà di conteggi di driver. Tuttavia, per pilotare un ponte H, è molto probabile che tu sia interessato esclusivamente a modelli con due o quattro driver. I driver singoli possono essere utili, ma avere quattro driver singoli occupa molto spazio sul circuito stampato, quindi a meno che tu non abbia una ragione molto specifica per questo, probabilmente vorrai le opzioni duali o quad. Quando guardi le opzioni di driver duali, vuoi assicurarti che il driver sia per un ponte H, e non due driver high side indipendenti in un unico pacchetto.

VIN - Tensione di Alimentazione

La tensione di alimentazione per il driver è ciò che alimenterà i suoi circuiti interni, piloterà il gate lato basso e creerà la tensione di bootstrap. Molti controller hanno una tensione di bootstrap uguale alla tensione lato alto più la tensione di alimentazione. Se hai già selezionato i MOSFET per il tuo ponte H, dovrai assicurarti che la tensione di alimentazione minima per il driver sia inferiore alla tensione massima di gate (VGS) del MOSFET. Se la tua tensione di alimentazione minima al driver è superiore al massimo del gate, distruggerai rapidamente il MOSFET, e quando fallisce, possono accadere cose molto brutte al tuo circuito stampato poiché potenzialmente centinaia di ampere si cortocircuitano attraverso il ponte H.

VBOOT - Tensione di Bootstrap

Se la tensione di bootstrap è diversa dalla tensione di alimentazione, devi assicurarti che questa non sia troppo alta per il MOSFET. Controlla la specifica VGS sul MOSFET, per assicurarti che questo non danneggi il gate.

VDD - Tensione di Alimentazione Logica

I microcontrollori moderni di solito hanno un livello logico di 1,8v o 3,3v, ma alcuni più vecchi possono funzionare a 5v. Assicurati che il driver ti permetta di utilizzare direttamente gli output del tuo microcontrollore per la logica in modo da non aver bisogno di componenti aggiuntivi per tradurre i segnali a una tensione più alta. Alcuni driver di gate hanno soglie logiche di 4v o superiori, che non funzioneranno con microcontrollori a tensione più bassa.

IOHH - Corrente di Pullup di Picco

Come menzionato molte volte in questo articolo, il motivo principale per cui si utilizza un circuito integrato driver per gate è per poter spostare grandi correnti verso il gate per superare la capacità del gate e attivarlo molto rapidamente. Una volta che hai un'idea del MOSFET che stai utilizzando, alcuni calcoli rapidi basati sulla velocità del tuo PWM ti daranno un'idea della quantità di energia necessaria da spostare al gate per secondo, il che ti permetterà di ottenere un'idea della corrente di picco che il driver deve fornire al gate.

IOLH - Corrente di Picco di Disattivazione

Questo è sostanzialmente lo stesso della corrente di attivazione, solo per scaricare la capacità del gate quando si desidera che il MOSFET smetta di condurre. Puoi presumere approssimativamente che avrai bisogno della stessa quantità di corrente di disattivazione di quella di attivazione se non vuoi addentrarti troppo nei calcoli. Se stai utilizzando un PWM ad alta frequenza particolarmente elevata, questi due valori di corrente potrebbero finire per essere i principali determinanti di quale driver per gate puoi utilizzare.

Questi sono i principi fondamentali per selezionare i componenti di cui hai bisogno per costruire un ponte H MOSFET a canale N per muovere motori ad alta corrente o ad alta tensione. La stessa selezione di scelte si applica sia che tu stia lavorando con un motore da 5 ampere, 12 volt o un motore da 80 ampere, 200 volt. Il tuo progetto di ponte H sarà lo stesso schema, solo con valutazioni diverse sui componenti.

Ricorda che la selezione dei componenti è un processo iterativo. Una volta selezionato il MOSFET, a meno che quella non sia l'unica opzione disponibile, dovresti rivalutare se è ancora la scelta ideale dopo aver selezionato il driver per gate. Allo stesso modo, se le tue esigenze per la frequenza di controllo cambiano, potresti dover riesaminare nuovamente la selezione dei componenti. Fondamentalmente, se qualcosa nel tuo progetto o nei tuoi requisiti cambia, probabilmente vorrai rivedere le tue scelte di componenti per assicurarti che siano ancora ottimali.

Può sembrare che ci siano molte decisioni da prendere e molte specifiche complesse da considerare. Tuttavia, dai un'altra occhiata allo schema del ponte H all'inizio di questo articolo - è piuttosto semplice, vero? La maggior parte delle specifiche qui sono solo scelte di buon senso, assicurando che ogni componente possa gestire la corrente e la tensione richieste dal tuo carico. Si scopre che puoi facilmente restringere l'elenco dei componenti possibili con solo alcuni filtri su Octopart^®, quindi selezionare dalla lista più corta ciò che si adatta di più alla tua applicazione.

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