Wprawianie dużych silników szczotkowych w ruch

Pomimo efektywności i wysokiego momentu obrotowego silników bezszczotkowych prądu stałego, duże silniki szczotkowe i serwomechanizmy są nadal bardzo powszechne w wielu zastosowaniach przemysłowych. Wynika to głównie z faktu, że silniki szczotkowe są prostsze w sterowaniu i zazwyczaj tańsze w zakupie, dlatego potrzeba ich napędzania nie zniknie. Mały układ scalony sterownika silnika szczotkowego nie wystarczy dla większych silników przemysłowych lub serwomechanizmów wymagających wysokiego napięcia, amperażu lub obu tych parametrów. Sprawia to, że konieczne jest zbudowanie mostka H z dyskretnych komponentów. Nie należy jednak uważać tego za zadanie zniechęcające, ponieważ nie jest to bardzo skomplikowany schemat; sprowadza się to do 4 tranzystorów FET z diodami ochronnymi, zestawu sterowników bramek i układu scalonego kontrolera, który zapewnia, że niczego nie zwierasz. Sterowniki bramek i układ scalony kontrolera można nawet znaleźć w jednej obudowie, jeśli sobie tego życzysz.

Budowanie mostka H

To jest typowy projekt mostka H, bez sterowników bramek. Masz dwie opcje budowy mostka, albo użyć tranzystorów MOSFET z kanałem P dla strony wysokiej i z kanałem N dla strony niskiej, albo użyć tranzystorów z kanałem N po obu stronach. Jak zapewne wiesz, tranzystory MOSFET z kanałem P mają znacznie wyższą rezystancję wewnętrzną RDS(on), co generuje dużo więcej ciepła z mocy rozpraszanej na rezystancji podczas przewodzenia wysokich prądów. Jednakże tranzystory FET z kanałem P są bardzo wygodne w użyciu dla strony wysokiej, ponieważ tranzystor FET z kanałem N będzie przewodził tylko wtedy, gdy na bramkę zostanie podane wyższe napięcie niż na źródło. Tutaj z pomocą przychodzą sterowniki bramek, które są w stanie sterować bramką tranzystora FET z kanałem N, podnosząc odpowiednio napięcie wejściowe, co redukuje koszty i obciążenie termiczne płytki obwodu.

Kolejną zaletą sterownika bramek jest możliwość przesunięcia znacznie większego prądu do bramek tranzystorów MOSFET i szybkiego odprowadzenia ładunku z nich niż mogłoby to zrobić typowe wyjście mikrokontrolera. Jeśli po prostu używasz mostka H do włączenia silnika w jednym lub drugim kierunku, to nie będzie dla Ciebie dużą zaletą. Jednakże, jeśli używasz wysokich częstotliwości PWM do zmiany prędkości silnika, lub do budowy serwomechanizmu, ta zdolność do przesuwania dużych ilości prądu do i z bramek tranzystorów FET może pozwolić Ci zbudować rozwiązanie o bardzo wysokiej wydajności.

Ze względu na ogromną zaletę tranzystorów FET z kanałem N, jeśli chodzi o rezystancję wewnętrzną i pojemność bramki, skupimy się wyłącznie na budowaniu mostka H z tranzystorami FET z kanałem N po obu stronach wysokiej i niskiej.

Sterowanie mostkiem H

Podwójne sterowniki

Jeśli pracujesz z wysokimi napięciami, wysokimi prędkościami PWM lub oboma, możesz rozważyć użycie dwóch indywidualnych sterowników dla mostka H. Chociaż pojedyncze sterowniki bramek MOSFET są świetne, wysokie napięcie i prąd przekraczają operacyjne limity pojedynczego układu scalonego ze względu na ograniczenia opakowania. Możesz używać wysokich częstotliwości PWM dla sterowników, jeśli budujesz kontroler serwomechanizmu DC i potrzebujesz dokonywać wielu małych korekt pozycji silnika. Takie częstotliwości wymagają szybkiego ładowania i rozładowywania ładunku bramki na tranzystorze MOSFET, co z kolei wymaga znaczącego prądu.

W tym schemacie używam dwóch Infineon 2EDL05N06PFXUMA1 z serii sterowników bramek EiceDriver. Sygnały tabeli prawdy muszą być dobrze zarządzane przez mikrokontroler, aby zapewnić, że nie wystąpi warunek przepięcia, który natychmiast uszkodziłby mostek H. Kompromis dla tego braku ochrony przed złym programowaniem w porównaniu do zintegrowanego pełnego sterownika mostka to możliwość sterowania do 600V i znaczący prąd źródłowy/ujemny do szybkiego przełączania bramki.

Zrzuty ekranu schematu powyżej pochodzą z mojego repozytorium serwomechanizmów ciężkich na GitHubie. Ten projekt open source bazuje na otwartych pracach Citrus CNC w ich Tarocco napędach serwo DC. Ten 100V sterownik serwo DC był używany do kontrolowania silników w projekcie konwersji Siemens SiPlace.

Pojedynczy sterownik

Jeśli pracujesz z niższymi napięciami, użycie zintegrowanego układu do obsługi obu stron mostka H staje się wykonalne i może zaoferować pewne oszczędności miejsca oraz spokój ducha z zintegrowaną ochroną przed przepięciem. Kiedy potrzebuję pojedynczego sterownika, zwykle wybieram Renesas HIP4081A, który pochodzi z długiej linii kontrolerów przemysłowych tej samej serii.

HIP4081A i większość innych sterowników są bardzo proste w implementacji, wymagają jedynie kilku elementów pasywnych do odcięcia i bootstrappingu dla wysokich napięć bramek. Schemat powyżej pochodzi z kontrolera silnika 12V, 100A, który był używany w przemyśle naftowym i gazowym.

Specyfikacje do rozważenia

Niezależnie od tego, czy używasz pojedynczych, podwójnych, czy poczwórnych sterowników bramek dla twojego mostka H, podstawowe specyfikacje do rozważenia będą takie same. Twoje główne obawy prawdopodobnie skierują się ku MOSFETom używanym w moście, jak również do diod ochronnych, które idą w parze z nimi. Jednak po wybraniu każdej części, będziesz musiał wrócić do innych wybranych części, aby upewnić się, że system jest optymalny. Krytyczne punkty tutaj to napięcie bramki do źródła na MOSFET w porównaniu do napięcia wyjściowego sterownika FET, oraz napięcie zaciskania diody ochronnej w porównaniu do maksymalnego napięcia dren-źródło MOSFET. Jeśli używasz wysokoczęstotliwościowego PWM dla mostka H, będziesz musiał również rozważyć prąd sterownika FET w porównaniu do ładunku bramki/pojemności wejściowej MOSFET. Jednakże, przejdziemy przez specyfikacje każdej części naszego mostka H bardzo szczegółowo, aby posłużyć jako przewodnik w procesie wyboru części.

Specyfikacje MOSFET

W karcie katalogowej można spotkać kilka istotnych oznaczeń temperatur, które mogą powodować derating niektórych specyfikacji, co może być mylące, jeśli nie zajmuje się tym na co dzień. Zazwyczaj spotkasz się z oznaczeniami T_A, T_C i T_J:

• T_A to temperatura urządzenia bez dodatkowego chłodzenia poza PCB w temperaturze otoczenia, która zwykle wynosi 25°C.

• T_C to temperatura obudowy, zakładając, że obudowa jest aktywnie chłodzona do tej temperatury przez duży radiator i wymuszone chłodzenie powietrzem lub cieczą.

• T_J to temperatura złącza bramki, krzem wewnątrz obudowy. Nie jest możliwe zmierzenie tego bez otwarcia obudowy układu scalonego, więc musisz użyć charakterystyk termicznych urządzenia do obliczenia tego.

Jeśli nie używasz dużego radiatora i aktywnego (wymuszonego powietrzem lub cieczą) chłodzenia, powinieneś opierać swoje wybory na ocenach TA, aby stworzyć wstępną listę, a następnie wyciągnąć kalkulator i faktycznie obliczyć, które urządzenie będzie najlepsze dla twojego konkretnego obwodu. MOSFETy mogą działać dobrze nawet po przekroczeniu temperatur, które mogą wydawać się nierozsądne dla innych urządzeń na płycie obwodu. Funkcjonują one w ramach swoich określonych parametrów przy temperaturach złącza osiągających lub przekraczających 175°C, co daje dużą swobodę dla MOSFETu. Jednak inne komponenty na płycie obwodu w pobliżu mogą nie być tak zadowolone z tak wysokich temperatur przez dłuższy czas. Poniżej znajdują się niektóre z najważniejszych parametrów MOSFETu i ich wpływ na twój kontroler.

Vdss - Napięcie dren-źródło

Napięcie MOSFETu powinno być dość oczywiste, ale jeśli skupisz się zbytnio na optymalizacji innych specyfikacji, możesz przypadkowo wybrać część o nieco za niskim napięciu, niż jest potrzebne. Napięcie powinno być co najmniej równe napięciu zasilania silnika, ale realistycznie powinno być o co najmniej 25% wyższe, ponieważ zobaczysz duży skok napięcia podczas hamowania silnika, gdy ten porusza się szybko. Dlatego jest to dobra specyfikacja, do której warto wrócić i ponownie sprawdzić, po wybraniu diod ochronnych. Upewnij się, że Vdss jest wyższe niż napięcie zaporowe diod, w przeciwnym razie twój MOSFET szybko się spali.

VGS - Napięcie bramka-źródło

Niektóre sterowniki MOSFET mogą generować wyższe napięcia niż inne; chociaż zwykle nie jest to problem, warto o tym pamiętać. Na przykład, jeśli twój sterownik generuje napięcie o 10V wyższe niż napięcie źródłowe, ale MOSFET jest w stanie wytrzymać tylko 8V, może nie przetrwać zbyt długo. Podobnie, niektóre MOSFETy mogą wymagać wyższego napięcia sterującego, aby osiągnąć minimalne RDS(on), a twój sterownik może nie dostarczać tego napięcia. VGS i RDS(on) przy VGS MOSFETu powinny być więc oceniane podczas analizy układu sterownika MOSFET, aby zapewnić optymalny system.

RDS(on) - Wewnętrzny opór dren-źródło w stanie przewodzenia

Rezystancja tranzystora polowego (FET) jest kluczową specyfikacją, ponieważ jest bezpośrednio związana z ilością energii traconej w postaci ciepła w układzie scalonym. Jeśli obudowa nie jest w stanie szybko odprowadzać ciepła, układ scalony może wejść w tryb samoochrony lub "uwolnić magiczny dym". Przy niższym RDS(on) można również mieć mniejszy radiator lub obszar miedzi wokół układu scalonego. Niezależnie od znamionowego prądu urządzenia, ciepło jest prawdziwym ogranicznikiem. Jeśli masz ograniczoną przestrzeń wokół sterownika na rozprowadzenie miedzi działającej jako radiator, musisz priorytetowo traktować specyfikację RDS(on), aby sterownik generował jak najmniej ciepła.

ID - Prąd Rozładowania

Chyba że impulsowo sterujesz silnikiem nieregularnie, lub masz bardzo duży radiator, prąd rozładowania jest prawdopodobnie jedną z mniej krytycznych specyfikacji przy porównywaniu MOSFETów. Podobnie jak Vdss, musisz upewnić się, że wybrane urządzenie ma wystarczająco wysokie ID, aby umożliwić działanie silnika, włączając prąd rozruchowy i prąd zablokowania. ID prawdopodobnie nie będzie czynnikiem ograniczającym dla urządzenia, ponieważ zdolność do odprowadzenia wystarczającej ilości ciepła z złącza/obudowy prawdopodobnie będzie prawdziwym limitem dla ilości prądu, który można przepuścić przez urządzenie. Niektórzy producenci, tacy jak Infineon, podają ID w swoich kartach katalogowych dla różnych warunków (napięcie VGS, obszar miedzi itp.), aby dać ci pomysł na derating. Na przykład karta katalogowa IPT004N03LATMA1 pokazuje, że urządzenie jest zdolne do przeprowadzenia 300A w większości warunków. Jednak przy zaledwie 6cm2 obszaru miedzi jest ono zdolne tylko do 72A.

Ptot - Rozpraszanie Mocy

Zazwyczaj okaże się, że Ptot jest znacznie bardziej ograniczające niż ID. Jeśli spojrzymy na inny MOSFET w niezwykle małej obudowie z dużo wyższym RDS(on) niż wspomniany wyżej niesamowity MOSFET od Infineon, taki jak Nexperia PMZB290UNE, możemy zobaczyć, jak maksymalne całkowite rozpraszanie mocy ogranicza użycie. To urządzenie ma RDS(on) 380 miliohmów, maksymalny prąd 1 amper i maksymalne napięcie 20 woltów. Przy 1cm2 obszaru miedzi i temperaturze otoczenia 25°C, maksymalne rozpraszanie mocy tego urządzenia jest oceniane na 360mW. Możemy zauważyć, że ta ocena jest osiągana przy zaledwie 290mA i 3,3V, co jest daleko poniżej ocen napięcia lub prądu urządzenia. Możemy zatem wywnioskować, że urządzenie obsługuje do 20V, lub do 1A, ale nie oba jednocześnie z powodu ograniczeń całkowitego rozpraszania mocy.

QG - Ładunek Bramki

Na początku artykułu wspomniałem, jak ważna jest zdolność sterownika do przesuwania dużego prądu do bramki MOSFETu. Ładunek bramki, który jest odpowiedzialny za pojemność bramki, jest główną przyczyną tego. Za każdym razem, gdy włączasz bramkę, musisz dostarczyć tyle energii, inaczej bramka się nie włączy. Im szybciej możesz dostarczyć ładunek, tym szybciej możesz przełączyć bramkę. Im szybciej i częściej przełączasz bramkę, tym wyższy będzie twój prąd bramki. Te ładunki są dość małe, ale jeśli przełączasz bramkę milion razy na sekundę, prąd potrzebny do naładowania i rozładowania bramki znacznie się sumuje. Możesz przeczytać bardzo szczegółowo o tym, jak ładunek bramki wpływa na czas przełączania w szczegółowej notatce aplikacyjnej od Vishay. Ogólnie jednak, patrząc na sterownik, musisz rozważyć, ile prądu będzie musiał dostarczyć, obliczając ilość ładunku, jakiego potrzebuje twój MOSFET przy częstotliwości, na której będzie działał twój system.

Ciss - Pojemność wejściowa

Pojemność wejściowa jest ściśle związana z ładunkiem bramki. Pojemność wejściowa to suma pojemności bramka-źródło (Cgs) oraz pojemności bramka-drenaż (Cgd). Pojemność wejściowa to pojemność całego MOSFET, widziana od strony wejścia. Ładunek bramki to ilość ładunku, którą trzeba dostarczyć do pojemności wejściowej, aby MOSFET mógł działać.

Specyfikacje diody ochronnej

Funkcjonalność diody w MOSFET jest świetna, ale nie jest to, czego chcesz używać do tłumienia przejściowych szczytów napięcia od silnika zatrzymywanego lub zmieniającego kierunek. Te napięcia mogą być bardzo wysokie i mogą bardzo szybko spalić lub uszkodzić MOSFET. Z mojego doświadczenia wynika, że nie ma to większego znaczenia, czy użyjesz diody TVS, czy Schottky’ego, potrzebujesz po prostu czegoś, co pomoże przejąć ciężar szczytów napięcia, jeśli chcesz mieć trwały kontroler silnika. Jako że jestem fanem zasady „jeśli warto coś robić, warto to robić na wyrost”, zwykle umieszczam diodę TVS równolegle z diodą Schottky’ego po stronie niskiej, a tylko Schottky’ego po stronie wysokiej, aby upewnić się, że mostek H przetrwa wszystko, co na niego rzucisz. Następujące specyfikacje diod mogą być dla ciebie ważne, gdy napotkasz je na karcie danych.

TRR - Czas odzyskiwania wstecznego

Większość diod Schottky’ego sprzedawanych dzisiaj jest uważana za szybko odzyskujące. Chociaż szybsze jest lepsze, w ogólnym rozrachunku, prędkość odzyskiwania nie wpłynie zbytnio na wydajność twojego mostka H. Gdy będziesz szybko uruchamiał i zatrzymywał silnik, dioda będzie przewodzić w kierunku przewodzenia, gdy silnik zostanie wyłączony, a następnie natychmiast przełączy się na polaryzację odwrotną, gdy silnik zostanie ponownie włączony. Dioda będzie przewodzić prąd w kierunku odwrotnym przez bardzo krótki interwał. Prąd przez diodę będzie dość duży w kierunku odwrotnym podczas tego krótkiego czasu odzyskiwania i może spowodować przepięcie, jeśli czas odzyskiwania jest zbyt długi. Większość diod na rynku odzyskuje się jednak znacznie szybciej niż bramka MOSFET może się wyłączyć, co sprawia, że problem ten nie występuje.

VR - Napięcie odwrotne DC

Napięcie odwrotne musi być wyższe niż maksymalne napięcie, jakim ma być zasilany twój mostek H. Jeśli używasz baterii, upewnij się, że bierzesz pod uwagę maksymalny stan naładowania, a nie napięcie nominalne. Jeśli dioda zacznie przewodzić w kierunku odwrotnym, możesz zacząć obserwować niektóre dziwne zachowania w twoim silniku, zanim zaczną występować spalenia. Prąd odwrotny jest stosunkowo niski, ale wystarczający, aby uzyskać dziwne wyniki, szczególnie w mostkach H o niższej mocy.

VF - Napięcie przewodzenia DC

Ta specyfikacja jest jedną z bardziej krytycznych dla diody Schottky’ego, ponieważ musi być zminimalizowana jak najbardziej. Jeśli twoje napięcie przewodzenia jest wyższe niż dioda ciała MOSFET, MOSFET zacznie tłumić napięcie wewnętrznie, zamiast polegać na zewnętrznej diodzie i może skończyć, biorąc na siebie ciężar szczytów napięcia od silnika. Niższe napięcie oznacza również mniejsze nagrzewanie się diody, co jest wygodne przy pracy z wysoką częstotliwością, gdy i tak masz już do czynienia z podwyższoną temperaturą płytki z powodu MOSFETów.

IO - Prąd prostowany

Prostowniczy prąd dla diody nie musi być szczególnie duży, 5%-20% prądu twojego MOSFET (przy czym większy procent dotyczy mniejszych MOSFETów) zazwyczaj będzie wystarczający. Dioda będzie widzieć krótkotrwałe impulsy wysokiego prądu za każdym razem, gdy przestaniesz sterować silnikiem, ponieważ ogranicza napięcie. Jeśli znasz indukcyjność swojego silnika, możesz to obliczyć, a jeśli budujesz uniwersalny mostek H, możesz obliczyć dla różnych silników lub po prostu wybrać przybliżoną wartość. Jest to dobra specyfikacja do przetestowania na pierwszych prototypach za pomocą oscyloskopu, aby zobaczyć, czy twoje oczekiwania są realistyczne. Jedno zastrzeżenie tutaj jest takie, że jeśli prąd jest znacznie niższy niż się spodziewasz, może to oznaczać, że prąd przewodzi MOSFET, a nie dioda, co nie jest dobre.

Specyfikacje sterownika FET

Możesz kupić sterowniki bramek z różną liczbą kanałów. Jednakże, do sterowania mostkiem H, najprawdopodobniej będziesz zainteresowany wyłącznie modelami z dwoma lub czterema sterownikami. Pojedyncze sterowniki mogą być użyteczne, ale posiadanie czterech pojedynczych sterowników zajmuje dużo miejsca na płytce, więc chyba że masz bardzo konkretny powód, prawdopodobnie będziesz chciał opcji podwójnej lub poczwórnej. Przyglądając się opcjom podwójnych sterowników, chcesz upewnić się, że sterownik jest do mostka H, a nie do dwóch niezależnych sterowników wysokiego napięcia w jednej obudowie.

VIN - Napięcie zasilania

Napięcie zasilania dla sterownika to to, które zasili jego wewnętrzne obwody, steruje bramką niskiego napięcia i tworzy napięcie bootstrap. Wiele kontrolerów ma napięcie bootstrap równe napięciu wysokiego napięcia plus napięcie zasilania. Jeśli już wybrałeś MOSFETy do swojego mostka H, musisz upewnić się, że minimalne napięcie zasilania dla sterownika jest niższe niż maksymalne napięcie bramki (VGS) MOSFETu. Jeśli minimalne napięcie zasilania do sterownika jest wyższe niż maksymalne napięcie bramki, szybko zniszczysz MOSFET, a gdy ten zawiedzie, bardzo złe rzeczy mogą się stać z twoją płytą obwodu, ponieważ potencjalnie setki amperów mogą się zwierać przez mostek H.

VBOOT - Napięcie bootstrap

Jeśli napięcie bootstrap jest inne niż napięcie zasilania, musisz upewnić się, że nie będzie ono zbyt wysokie dla MOSFETu. Sprawdź specyfikację VGS na MOSFET, aby upewnić się, że nie uszkodzi to bramki.

VDD - Napięcie zasilania logiki

Współczesne mikrokontrolery zazwyczaj mają poziom logiki 1,8v lub 3,3v, ale niektóre starsze mogą pracować na 5v. Upewnij się, że sterownik pozwoli ci używać wyjść twojego mikrokontrolera dla logiki bezpośrednio, więc nie będziesz potrzebować dodatkowych komponentów do przekładania sygnałów na wyższe napięcie. Niektóre sterowniki bramek mają progi logiki 4v lub wyższe, co nie będzie działać z mikrokontrolerami o niższym napięciu.

IOHH - Szczytowy prąd podciągania

Jak wspomniano wiele razy w tym artykule, głównym powodem, dla którego używasz układu sterownika bramki, jest możliwość przesunięcia dużych prądów do bramki, aby przezwyciężyć pojemność bramki i bardzo szybko włączyć bramkę. Gdy masz już pomysł, jakiego MOSFET używasz, kilka szybkich obliczeń opartych na prędkości PWM pozwoli ci zorientować się, ile energii musi być przeniesione do bramki na sekundę, co pozwoli ci zrozumieć, jak duży szczytowy prąd sterownik musi dostarczyć do bramki.

IOLH - Szczytowy prąd ściągający

To w zasadzie to samo, co prąd podciągający, tylko do rozładowania pojemności bramki, gdy chcesz, aby MOSFET przestał przewodzić. Możesz mniej więcej założyć, że będziesz potrzebować takiej samej ilości prądu ściągającego, jak prądu podciągającego, jeśli nie chcesz zagłębiać się zbytnio w obliczenia. Jeśli pracujesz z PWM o szczególnie wysokiej częstotliwości, te dwie wartości prądu mogą okazać się głównymi czynnikami decydującymi o tym, którego sterownika bramki możesz użyć.

To są podstawy doboru komponentów, których potrzebujesz do zbudowania mostka H MOSFET N-kanałowego do poruszania dużymi silnikami o wysokim prądzie lub wysokim napięciu. Ten sam wybór opcji dotyczy, czy pracujesz z silnikiem 5 amperów, 12 woltów, czy silnikiem 80 amperów, 200 woltów. Twój projekt mostka H będzie taki sam schematycznie, tylko z różnymi ocenami komponentów.

Pamiętaj, że dobór komponentów to proces iteracyjny. Gdy masz już wybrany MOSFET, chyba że jest to jedyna dostępna opcja, powinieneś ponownie ocenić, czy nadal jest to idealny wybór po wybraniu sterownika bramki. Podobnie, jeśli twoje wymagania dotyczące częstotliwości sterowania się zmienią, możesz potrzebować ponownie przejrzeć wybór komponentów. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli cokolwiek w twoim projekcie lub wymaganiach się zmienia, prawdopodobnie chcesz ponownie przejrzeć swój wybór komponentów, aby upewnić się, że wybory są nadal optymalne.

Może się wydawać, że jest wiele decyzji do podjęcia i wiele skomplikowanych specyfikacji do rozważenia. Jednak spójrz jeszcze raz na schemat mostka H na początku tego artykułu – to całkiem proste, prawda? Większość specyfikacji tutaj to po prostu wybory zdroworozsądkowe, zapewniające, że każdy komponent może obsłużyć prąd i napięcie wymagane przez twoje obciążenie. Okazuje się, że bardzo łatwo możesz zawęzić listę możliwych komponentów, używając tylko kilku filtrów na Octopart^®, a następnie wybrać z krótszej listy to, co najbardziej pasuje do twojej aplikacji.

Mamy nadzieję, że ten artykuł był dla ciebie przydatny! Jeśli chciałbyś otrzymywać takie treści prosto do swojej skrzynki odbiorczej, zapisz się na nasz miesięczny newsletter!