Fazendo Grandes Motores Escovados se Movimentarem

Apesar da eficiência e alto torque dos motores DC sem escovas, os grandes motores com escovas e servos ainda são muito comuns em muitas aplicações industriais. Isso se deve principalmente ao fato de que os motores com escovas são mais simples de controlar, e tipicamente mais baratos de comprar, e, portanto, a necessidade de acioná-los não vai desaparecer. Um pequeno circuito integrado controlador de motor com escovas não é suficiente para motores industriais maiores ou servos que requerem alta voltagem, amperagem, ou ambos. Isso torna necessário construir a ponte H a partir de componentes discretos. Isso não deve ser considerado uma tarefa assustadora, pois não é um esquemático muito complicado; basicamente se resume a 4 FETs com diodos de proteção, um conjunto de drivers de gate e um CI controlador que garante que você não cause um curto-circuito. Os drivers de gate e o CI controlador até podem ser encontrados em um único pacote, se assim desejar.

Construindo a Ponte H

Este é um design típico de ponte H, sem os drivers de gate. Você tem duas opções para construir a ponte, ou usar MOSFETs de canal P para o lado alto e de canal N para o lado baixo, ou usar canal N em ambos. Como tenho certeza de que você está ciente, MOSFETs de canal P têm uma RDS(on) (Resistência Interna) significativamente maior do que os de canal N, o que gera muito mais calor devido à potência dissipada na resistência ao conduzir altas correntes. No entanto, os FETs de canal P são muito convenientes para usar no lado alto, pois um FET de canal N só conduzirá quando o gate tiver uma voltagem mais alta do que a fonte aplicada. É aqui que entram os drivers de gate, pois eles são capazes de acionar o gate de um FET de canal N aumentando suficientemente a voltagem de entrada, o que reduz custos e a carga térmica na placa de circuito.

Outra vantagem do driver de gate é a capacidade de mover muito mais corrente para o gate dos MOSFETs e drenar rapidamente a carga dele do que um pino de microcontrolador típico poderia. Se você está simplesmente usando a ponte H para ligar o motor em qualquer direção, isso não será de grande vantagem para você. No entanto, se você está usando PWM de alta frequência para variar a velocidade do motor, ou para construir um servo, essa capacidade de acionar grandes quantidades de corrente para e do gate dos FETs pode permitir que você construa uma solução de alto desempenho.

Devido à enorme vantagem dos FETs de canal N quando se trata de resistência interna e capacitância de gate, vamos focar exclusivamente na construção de uma ponte H com canal N em ambos os lados alto e baixo.

Controlando a Ponte H

Drivers Duplos

Se você está trabalhando com altas voltagens, altas velocidades de PWM, ou ambos, você pode querer considerar o uso de dois drivers individuais para a Ponte H. Enquanto os drivers de gate de MOSFET únicos são ótimos, altas voltagens e correntes excederão os limites operacionais de um único CI devido a restrições de embalagem. Você pode estar executando altas frequências de PWM para os drivers se estiver construindo um controlador de servo DC, e precisar fazer muitos pequenos ajustes na posição do motor. Tais frequências requerem carregar e descarregar rapidamente a carga do gate no MOSFET, o que, por sua vez, requer corrente significativa.

Neste esquemático, eu uso dois Infineon 2EDL05N06PFXUMA1 da linha de drivers de porta EiceDriver. Os sinais da tabela verdade precisam ser bem gerenciados pelo microcontrolador para garantir que você não tenha uma condição de disparo cruzado que irá instantaneamente queimar a Ponte H. O compromisso por esta falta de proteção contra programação inadequada, comparado a um pacote de driver de ponte completa integrado, é a capacidade de acionamento de até 600V e corrente significativa de fonte/dreno para comutar o portão rapidamente.

As capturas de tela do esquemático acima são do meu repositório de servo de alta capacidade no GitHub. Este projeto de código aberto é baseado no trabalho de código aberto da Citrus CNC em seus drives de servo DC Tarocco. Este driver de servo DC de 100V foi usado para controlar os motores em um projeto de conversão da Siemens SiPlace.

Driver Único

Se você está trabalhando com tensões mais baixas, usar um circuito integrado para lidar com ambos os lados da Ponte H torna-se viável e pode oferecer alguma economia de espaço, bem como tranquilidade com proteção integrada contra disparo cruzado. Quando preciso de um driver único, normalmente recorro ao Renesas HIP4081A, que vem de uma longa linhagem de controladores de qualidade industrial da mesma série.

O HIP4081A e a maioria dos outros drivers são muito simples de implementar, necessitando apenas de alguns componentes passivos para desacoplamento e bootstrapping para as tensões de portão de alta lado. O esquemático acima é de um controlador de motor de 12V, 100A que foi usado na indústria de petróleo e gás.

Especificações a Considerar

Seja usando drivers de porta únicos, duplos ou quádruplos para sua Ponte H, as especificações básicas a considerar serão as mesmas. Suas principais preocupações provavelmente serão voltadas para os MOSFETs usados na ponte, bem como os diodos de proteção que os acompanham. Uma vez que você tenha selecionado cada parte, no entanto, precisará revisar suas outras peças selecionadas para garantir que o sistema esteja otimizado. Os pontos críticos aqui são a Tensão de Porta para Fonte no MOSFET versus a tensão de saída do driver de FET, e a tensão de fixação do diodo de proteção versus a tensão máxima de dreno-fonte do MOSFET. Se você estiver executando PWM de alta frequência para a Ponte H, também precisará considerar a corrente do driver de FET versus a carga de portão/capacitância de entrada do MOSFET. No entanto, passaremos pelas especificações de cada parte em nossa Ponte H em grande detalhe para servir como um guia para o seu processo de seleção de peças.

Especificações do MOSFET

Existem algumas listagens de temperatura relevantes que você pode ver em uma ficha técnica que causam a derivação de algumas dessas especificações, o que pode ser confuso se não for tratado regularmente. Você verá tipicamente T_A, T_C e T_J listados:

• T_A é a temperatura do dispositivo sem qualquer refrigeração além da PCB à temperatura ambiente, que é tipicamente listada como 25°C.

• T_C é a temperatura do invólucro, que assume que o invólucro está sendo forçadamente refrigerado até esta temperatura por um grande dissipador de calor e ar forçado ou refrigeração líquida.

• T_J é a temperatura da junção do gate, o silício dentro do pacote. Não é possível medir isso sem decapar o CI, então você precisará usar as características térmicas do dispositivo para calcular isso.

Se você não está usando um grande dissipador de calor e refrigeração ativa (ar forçado ou líquida) você deve basear suas seleções nas classificações de TA para criar uma pré-seleção, depois pegar a calculadora e calcular de fato qual dispositivo funcionará melhor para o seu circuito específico. MOSFETs podem continuar funcionando bem além do que você pode achar razoável para outros dispositivos na placa de circuito. Eles funcionam dentro de seus parâmetros especificados com temperaturas de junção alcançando ou excedendo 175°C, o que lhe dá uma grande margem de manobra para o MOSFET. No entanto, outros componentes na placa de circuito próximos podem não ficar tão satisfeitos com tais altas temperaturas por durações prolongadas. Abaixo estão alguns dos parâmetros mais importantes de um MOSFET e como eles afetam seu controlador.

Vdss - Tensão Dreno-Fonte

A tensão do MOSFET deve ser bastante óbvia, mas se você se concentrar demais em otimizar outras especificações, pode acidentalmente selecionar uma peça que é um pouco de baixa tensão do que você precisa. A tensão precisa ser, no mínimo, a tensão de alimentação do motor, mas realisticamente deve ser pelo menos 25% mais alta, pois você verá um grande pico ao frear o motor enquanto ele está se movendo rapidamente. Como tal, esta é uma boa especificação para voltar e verificar novamente uma vez que você tenha selecionado seus diodos de proteção. Garanta que Vdss seja maior que a tensão de acampamento dos diodos ou seu MOSFET queimará rapidamente.

VGS - Tensão Gate-Fonte

Alguns drivers de MOSFET gerarão tensões mais altas que outros; embora isso geralmente não seja um problema, vale a pena ter em mente. Por exemplo, se o seu driver está gerando uma tensão que é 10V mais alta que a tensão de fonte, mas o MOSFET só é capaz de sobreviver a 8V, ele pode não durar muito tempo. Da mesma forma, alguns MOSFETs podem requerer uma tensão de acionamento mais alta para alcançar o mínimo de RDS(on), e seu driver pode não fornecer essa tensão. VGS e RDS(on) em VGS do MOSFET, portanto, devem ser avaliados ao olhar para o CI driver do MOSFET para garantir um sistema ótimo.

RDS(on) - Resistência Interna Dreno-Fonte Ligado/Resistência em Série

A resistência do FET é uma especificação crítica, pois está diretamente relacionada à quantidade de energia perdida como calor no circuito integrado. Se o pacote não conseguir remover o calor rapidamente o suficiente, o circuito integrado pode entrar em um modo de autoproteção ou liberar sua fumaça mágica. Com um RDS(on) mais baixo, você também pode ter um dissipador de calor menor ou uma área de cobre menor ao redor do CI. Independentemente da corrente nominal do dispositivo, o calor é o verdadeiro limitador. Se você tem uma área limitada ao redor do driver para a aplicação de cobre atuar como um dissipador de calor, você precisará priorizar a especificação RDS(on) para que o driver gere o mínimo de calor possível.

ID - Corrente de Drenagem

A menos que você esteja apenas pulsando o motor irregularmente, ou tenha um dissipador de calor muito grande, a corrente de drenagem provavelmente é uma das especificações menos críticas para comparar MOSFETs. Como o Vdss, você precisa garantir que seu dispositivo escolhido tenha um ID suficientemente alto para permitir que seu motor opere, incluindo corrente de partida e de estagnação. O ID provavelmente não será um fator limitante para o dispositivo, já que ser capaz de remover calor suficiente da junção/pacote provavelmente será o verdadeiro limite de quanta corrente você pode passar pelo dispositivo. Alguns fabricantes, como a Infineon, listarão o ID em suas fichas técnicas para várias condições (tensão VGS, área de cobre, etc) para dar uma ideia de desclassificação. A ficha técnica do IPT004N03LATMA1, por exemplo, mostra o dispositivo capaz de 300A sob a maioria das condições. No entanto, com apenas 6cm2 de área de cobre, ele é capaz de apenas 72A.

Ptot - Dissipação de Potência

Tipicamente, você encontrará o Ptot sendo significativamente mais limitante do que o ID. Se olharmos para outro MOSFET em um pacote notavelmente pequeno com um RDS(on) muito maior do que o incrível MOSFET da Infineon acima, como o Nexperia PMZB290UNE, podemos ver como a dissipação máxima de potência total limita o uso. Este dispositivo tem um RDS(on) de 380 miliohms, uma corrente máxima de 1 ampere e tensão máxima de 20 volts. Com 1cm2 de área de cobre e uma temperatura ambiente de 25°C, a dissipação máxima de potência deste dispositivo é classificada em 360mW. Podemos notar que essa classificação é alcançada com apenas 290mA e 3,3V, o que é muito menos do que as classificações de tensão ou corrente do dispositivo. Podemos concluir que o dispositivo suporta até 20V, ou até 1A, mas não ambos ao mesmo tempo devido às restrições de dissipação de potência total.

QG - Carga do Portão

No início do artigo, mencionei como a capacidade de um driver de mover muita corrente para o portão de um MOSFET é importante. A carga do portão, que é responsável pela capacitância do portão, é a maior razão por trás disso. Toda vez que você liga o portão, precisa fornecer essa quantidade de energia, ou o portão não será ativado. Quanto mais rápido você puder fornecer a carga, mais rápido poderá ligar o portão. Quanto mais rápido e mais frequentemente você ligar o portão, maior será sua corrente de portão. Essas cargas são bastante pequenas, mas se você ligar o portão um milhão de vezes por segundo, a corrente necessária para carregar e descarregar o portão soma significativamente. Você pode ler em grande detalhe sobre como a carga do portão afeta o tempo de comutação em uma nota de aplicação aprofundada da Vishay. Geralmente, porém, ao olhar para um driver, você precisa considerar quanto de corrente ele precisará fornecer calculando a quantidade de carga que seu MOSFET precisa na frequência em que seu sistema funcionará.

Ciss - Capacitância de Entrada

Estreitamente relacionada à carga de porta é a capacitância de entrada. A capacitância de entrada é a soma da capacitância porta-fonte (Cgs) e da capacitância porta-dreno (Cgd). A capacitância de entrada é a capacitância do MOSFET como um todo, vista a partir da entrada. A carga de porta é a quantidade de carga que você precisa para acionar a capacitância de entrada, para que o MOSFET opere.

Especificações do Diodo de Proteção

A funcionalidade de diodo do MOSFET é ótima, mas não é o que você deseja usar para limitar picos de tensão transitória provenientes do motor sendo parado ou invertido. Essas tensões podem ser bastante altas e podem queimar ou degradar rapidamente o MOSFET. Na minha experiência, não importa realmente se você usa um diodo TVS ou um Schottky, você só precisa de algo para ajudar a absorver a maior parte dos picos de tensão se você deseja um controlador de motor durável. Como sou fã da frase “se vale a pena fazer, vale a pena exagerar,” eu normalmente coloco um diodo TVS em paralelo com um Schottky no lado de baixa, com apenas um Schottky no lado de alta, para garantir que a Ponte H sobreviva a qualquer coisa que lhe seja imposta. As seguintes especificações de diodos podem ser importantes para você quando as encontrar em uma ficha técnica.

TRR - Tempo de Recuperação Reversa

A maioria dos diodos Schottky vendidos hoje são considerados de recuperação rápida. Embora mais rápido seja melhor, no grande esquema das coisas, a velocidade de recuperação não afetará muito o desempenho da sua Ponte H. Quando você está iniciando e parando o motor rapidamente, o diodo estará conduzindo em polarização direta quando o motor desligar, e imediatamente mudará para polarização reversa quando o motor ligar novamente. O diodo conduzirá corrente em polarização reversa por um intervalo muito curto. A corrente através do diodo será bastante grande em uma direção reversa durante este pequeno tempo de recuperação, e poderia causar um curto-circuito se o tempo de recuperação for muito longo. No entanto, a maioria dos diodos no mercado se recupera muito mais rápido do que o portão do MOSFET pode desligar, o que torna isso um não problema.

VR - Tensão Reversa DC

A tensão reversa precisa ser maior do que a máxima tensão que você espera que sua Ponte H seja alimentada. Se você está usando baterias, certifique-se de levar em conta o estado máximo de carga em vez da tensão nominal. Se o diodo começar a conduzir em reverso, você poderá começar a ver alguns comportamentos estranhos no seu motor antes das coisas começarem a queimar. A corrente reversa é relativamente baixa, mas é suficiente para lhe dar resultados estranhos, especialmente em Pontes H de baixa potência.

VF - Tensão Direta DC

Esta especificação é uma das mais críticas para um diodo Schottky, pois precisa ser minimizada tanto quanto possível. Se sua tensão direta for maior do que o diodo interno do MOSFET, o MOSFET começará a limitar a tensão internamente em vez de depender do diodo externo e pode acabar suportando a maior parte dos picos de tensão do motor. Uma tensão mais baixa também significa menos aquecimento do diodo, o que é conveniente com operação de alta frequência quando você já está lidando com temperaturas elevadas da placa devido aos MOSFETs.

IO - Corrente Retificada

A corrente retificada para o diodo não precisa ser particularmente substancial, 5%-20% da sua corrente MOSFET (sendo a porcentagem maior para MOSFETs menores) normalmente seria suficiente. O diodo verá impulsos de curta duração de alta corrente cada vez que você parar de acionar o motor, pois ele limita a tensão. Se você conhece a indutância do seu motor, pode calcular isso, e se você está construindo uma ponte H genérica, pode calcular para uma gama de motores ou apenas optar por uma estimativa aproximada. Esta é uma boa especificação para testar em seus primeiros protótipos com seu osciloscópio para ver se suas expectativas são realistas. Uma ressalva aqui é que se a corrente for substancialmente menor do que você espera, isso pode significar que o MOSFET está conduzindo a corrente em vez do diodo, o que não é bom.

Especificações do Driver FET

Você pode comprar drivers de porta com uma variedade de contagens de drivers. No entanto, para acionar uma ponte H, você provavelmente estará interessado exclusivamente em modelos de dois ou quatro drivers. Drivers únicos podem ser úteis, mas ter quatro drivers únicos ocupa muito espaço na placa, então, a menos que você tenha um motivo muito específico para isso, provavelmente desejará as opções duplas ou quádruplas. Ao olhar para as opções de driver duplo, você quer garantir que o driver seja para uma ponte H, e não dois drivers de lado alto independentes em um único pacote.

VIN - Tensão de Alimentação

A tensão de alimentação para o driver é o que alimentará seus circuitos internos, acionará o portão do lado baixo e criará a tensão de bootstrap. Muitos controladores têm uma tensão de bootstrap igual à tensão do lado alto mais a tensão de alimentação. Se você já selecionou os MOSFETs para sua ponte H, você precisará garantir que a tensão de alimentação mínima para o driver seja menor que a tensão máxima de porta (VGS) do MOSFET. Se a sua tensão de alimentação mínima para o driver for maior que o máximo da porta, você rapidamente destruirá o MOSFET, e quando ele falhar, coisas muito ruins podem acontecer à sua placa de circuito, pois potencialmente centenas de amperes podem se curto-circuitar através da ponte H.

VBOOT - Tensão de Bootstrap

Se a tensão de bootstrap for diferente da tensão de alimentação, você precisa garantir que isso não será alto demais para o MOSFET. Verifique a especificação VGS no MOSFET, para garantir que isso não danificará o portão.

VDD - Tensão de Alimentação Lógica

Microcontroladores modernos geralmente têm um nível lógico de 1.8v ou 3.3v, mas alguns mais antigos podem estar operando em 5v. Garanta que o driver permitirá que você use as saídas do seu microcontrolador para a lógica diretamente, para que você não precise de componentes extras para traduzir os sinais para uma tensão mais alta. Alguns drivers de porta têm limiares lógicos de 4v ou mais, o que não funcionará com microcontroladores de tensão mais baixa.

IOHH - Corrente Máxima de Pullup

Como mencionado várias vezes neste artigo, a principal razão para se usar um CI de driver de porta é poder deslocar grandes correntes para o gate para superar a capacitância do gate e ligá-lo muito rapidamente. Uma vez que você tenha uma ideia de qual MOSFET está usando, alguns cálculos rápidos baseados na velocidade do seu PWM lhe darão uma ideia da quantidade de energia necessária para ser movida para o gate por segundo, o que permitirá que você tenha uma ideia da corrente de pico que o driver precisa fornecer ao gate.

IOLH - Corrente de Puxada para Baixo de Pico

Isso é essencialmente o mesmo que a corrente de puxada para cima, só que para drenar a capacitância do gate quando você quer que o MOSFET pare de conduzir. Você pode presumir aproximadamente que precisará da mesma quantidade de corrente de puxada para baixo que você precisa de puxada para cima, se não quiser entrar demais nos cálculos. Se você estiver operando com PWM de alta frequência particularmente, esses dois valores de corrente podem acabar sendo os principais determinantes de qual driver de gate você pode usar.

Esses são os fundamentos para selecionar os componentes que você precisa para construir uma Ponte H MOSFET de Canal N para mover alguns motores grandes de alta corrente ou alta tensão. A mesma seleção de escolhas se aplica se você estiver trabalhando com um motor de 5 amperes, 12 volts ou um motor de 80 amperes, 200 volts. Seu design da Ponte H será o mesmo esquemático, apenas com diferentes classificações nos componentes.

Lembre-se de que selecionar componentes é um processo iterativo. Uma vez que você tenha selecionado o MOSFET, a menos que essa seja a única opção disponível, você deve reavaliar se ele ainda é a escolha ideal após selecionar o driver de gate. Da mesma forma, se seus requisitos para a frequência de controle mudarem, você pode precisar revisitar as seleções de componentes novamente. Basicamente, se algo no seu design ou requisitos mudar, você provavelmente vai querer revisar suas seleções de componentes para garantir que as escolhas ainda sejam ótimas.

Pode parecer que há muitas decisões a serem tomadas e muitas especificações complexas a considerar. No entanto, dê uma olhada novamente no esquemático da Ponte H no início deste artigo – é bem simples, certo? A maioria das especificações aqui são apenas escolhas de senso comum, garantindo que cada componente possa lidar com a corrente e a tensão que sua carga requer. Como se vê, você pode facilmente reduzir a lista de componentes possíveis com apenas alguns filtros no Octopart^®, e então selecionar da lista mais curta o que mais se adequa à sua aplicação.

Esperamos que você tenha achado este artigo útil! Se você gostaria de ter conteúdo como este entregue na sua caixa de entrada, inscreva-se para receber nosso boletim informativo mensal!