Запуск больших щеточных моторов

Несмотря на эффективность и высокий крутящий момент бесщеточных двигателей постоянного тока, большие щеточные двигатели и сервоприводы все еще очень распространены во многих промышленных приложениях. Это в основном потому, что щеточные двигатели проще в управлении и, как правило, дешевле в покупке, и потому потребность в их использовании никуда не исчезает. Маленькая интегральная схема драйвера щеточного двигателя не подойдет для больших промышленных двигателей или сервоприводов, требующих высокого напряжения, ампеража или и того, и другого. Это делает необходимым построение H-моста из дискретных компонентов. Это не должно рассматриваться как сложная задача, поскольку схема не очень сложная; она сводится к 4 FET с защитными диодами, набору драйверов затворов и контроллеру IC, который гарантирует, что вы ничего не замкнете накоротко. Драйверы затворов и контроллер IC даже могут быть найдены в одном пакете, если вы этого желаете.

Построение H-моста

Это типичный дизайн H-моста, без драйверов затворов. У вас есть два варианта для построения моста: использовать P-канальные MOSFET для верхней стороны и N-канальные для нижней, или использовать N-канальные по всему периметру. Как вы, наверное, знаете, P-канальные MOSFET имеют значительно более высокое сопротивление RDS(on) (внутреннее сопротивление), чем N-канальные, что генерирует гораздо больше тепла от мощности, рассеиваемой в сопротивлении при проведении высоких токов. Однако P-канальные FET очень удобны для использования на верхней стороне, поскольку N-канальный FET будет проводить только тогда, когда напряжение на затворе выше, чем напряжение на источнике. Здесь на помощь приходят драйверы затворов, так как они способны управлять затвором N-канального FET, достаточно увеличивая входное напряжение, что снижает стоимость и тепловую нагрузку на печатную плату.

Еще одно преимущество драйвера затвора - возможность перемещать гораздо больше тока в затвор MOSFET и быстро снимать заряд с него, чем это мог бы сделать типичный вывод микроконтроллера. Если вы просто используете H-мост для включения двигателя в любом направлении, это не будет для вас большим преимуществом. Однако, если вы используете высокочастотный ШИМ для изменения скорости двигателя или для построения сервопривода, эта способность управлять большими токами к затвору и от затвора FET может позволить вам построить решение с очень высокой производительностью.

Из-за огромного преимущества N-канальных FET с точки зрения внутреннего сопротивления и емкости затвора, мы сосредоточимся исключительно на построении H-моста с N-канальными на обеих сторонах.

Управление H-мостом

Двойные драйверы

Если вы работаете с высокими напряжениями, высокими скоростями ШИМ или и тем, и другим, вы можете рассмотреть использование двух отдельных драйверов для H-моста. Хотя одиночные драйверы затворов MOSFET отлично работают, высокое напряжение и ток превысят операционные пределы одного ИС из-за ограничений упаковки. Вы можете использовать высокие частоты ШИМ для драйверов, если вы строите контроллер сервопривода постоянного тока и нуждаетесь во многих мелких корректировках положения двигателя. Такие частоты требуют быстрой зарядки и разрядки заряда затвора на MOSFET, что, в свою очередь, требует значительного тока.

В этой схеме я использую два Infineon 2EDL05N06PFXUMA1 из линейки драйверов затворов EiceDriver. Сигналы истинности должны быть хорошо управляемы микроконтроллером, чтобы гарантировать, что у вас не возникнет состояния сквозного пробоя, которое мгновенно выведет из строя H-мост. Компромиссом для этой отсутствия защиты от плохого программирования по сравнению с интегрированным полным мостовым драйвером является возможность управления напряжением до 600 В и значительный ток источника/стока для быстрого переключения затвора.

Скриншоты схемы выше из моего репозитория тяжелых сервоприводов на GitHub. Этот проект с открытым исходным кодом основан на работе Citrus CNC в их Tarocco DC сервоприводах. Этот 100В DC сервопривод использовался для управления моторами в проекте конверсии Siemens SiPlace.

Одиночный драйвер

Если вы работаете с низкими напряжениями, использование интегрированной схемы для управления обеими сторонами H-моста становится возможным и может предложить некоторую экономию места, а также спокойствие с интегрированной защитой от сквозного пробоя. Когда мне нужен одиночный драйвер, я обычно обращаюсь к Renesas HIP4081A, который идет из долгой линейки промышленных контроллеров высокого качества той же серии.

HIP4081A и большинство других драйверов очень просты в реализации, требуя всего лишь несколько пассивных компонентов для развязки и загрузки для высоковольтных затворов. Схема выше из контроллера мотора на 12В, 100А, который использовался в нефтегазовой промышленности.

Спецификации, которые следует учитывать

Независимо от того, используете ли вы одиночные, двойные или четырехканальные драйверы затворов для вашего H-моста, основные спецификации, которые следует учитывать, будут одинаковыми. Ваши основные заботы, вероятно, будут связаны с MOSFET, используемыми в мосту, а также с защитными диодами, идущими вместе с ними. Однако, после выбора каждой детали, вам нужно будет вернуться к другим выбранным компонентам, чтобы убедиться, что система оптимальна. Критическими моментами здесь являются напряжение затвор-исток на MOSFET по сравнению с выходным напряжением драйвера FET, и напряжение зажима защитного диода по сравнению с максимальным напряжением сток-исток MOSFET. Если вы используете высокочастотный ШИМ для H-моста, вам также нужно будет учитывать ток драйвера FET по сравнению с зарядом затвора/входной емкостью MOSFET. Однако мы подробно рассмотрим спецификации каждой детали в нашем H-мосте, чтобы служить руководством для процесса выбора компонентов.

Спецификации MOSFET

Существует несколько соответствующих показателей температуры, которые вы можете увидеть в техническом описании, из-за которых некоторые из этих спецификаций могут быть понижены, что может вызвать путаницу, если не иметь с этим дело регулярно. Обычно вы увидите T_A, T_C и T_J:

• T_A - это температура устройства без какого-либо охлаждения, кроме печатной платы, при комнатной температуре, которая обычно указывается как 25°C.

• T_C - это температура корпуса, при этом предполагается, что корпус активно охлаждается до этой температуры с помощью большого радиатора и принудительного воздушного или жидкостного охлаждения.

• T_J - это температура p-n перехода, кремния внутри корпуса. Измерить её напрямую невозможно без вскрытия корпуса микросхемы, поэтому вам нужно будет использовать тепловые характеристики устройства для её расчёта.

Если вы не используете большой радиатор и активное (принудительное воздушное или жидкостное) охлаждение, вам следует основывать свой выбор на показателях T_A для создания предварительного списка, а затем взять калькулятор и действительно рассчитать, какое устройство лучше всего подойдёт для вашей конкретной схемы. MOSFET могут продолжать работать даже при температурах, которые могут показаться неразумными для других компонентов на печатной плате. Они функционируют в пределах своих спецификаций при температурах p-n перехода, достигающих или превышающих 175°C, что действительно даёт вам большой запас для MOSFET. Однако, другие компоненты на печатной плате поблизости могут не так радостно воспринимать такие высокие температуры в течение длительного времени. Ниже приведены некоторые из наиболее важных параметров MOSFET и их влияние на ваш контроллер.

Vdss - Напряжение сток-исток

Напряжение MOSFET должно быть очевидным, но если вы слишком сосредоточитесь на оптимизации других спецификаций, вы можете случайно выбрать деталь с немного слишком низким напряжением, чем вам нужно. Напряжение должно быть, как минимум, равно напряжению питания двигателя, но реалистично должно быть как минимум на 25% выше, так как при торможении двигателя, движущегося с высокой скоростью, вы увидите большой скачок напряжения. Таким образом, это хороший параметр для повторной проверки, после того как вы выбрали защитные диоды. Убедитесь, что Vdss выше напряжения пробоя диодов, иначе ваш MOSFET быстро выйдет из строя.

VGS - Напряжение затвор-исток

Некоторые драйверы MOSFET могут генерировать более высокие напряжения, чем другие; хотя это обычно не является проблемой, стоит это иметь в виду. Например, если ваш драйвер генерирует напряжение, которое на 10В выше напряжения истока, но MOSFET способен выдержать только 8В, он может быстро выйти из строя. Также некоторые MOSFET могут требовать более высокого напряжения управления для достижения минимального RDS(on), и ваш драйвер может не обеспечивать это напряжение. Поэтому VGS и RDS(on) при VGS MOSFET следует оценивать при выборе драйвера MOSFET, чтобы обеспечить оптимальную систему.

RDS(on) - Сопротивление в открытом состоянии сток-исток/Внутреннее последовательное сопротивление

Сопротивление полевого транзистора является одной из критических характеристик, поскольку оно напрямую связано с количеством энергии, теряемой в виде тепла в интегральной схеме. Если корпус не может достаточно быстро отводить тепло, интегральная схема может войти в режим самозащиты или "выпустить магический дым". С более низким RDS(on) можно также использовать меньший радиатор или медную площадку вокруг микросхемы. Независимо от номинального тока устройства, истинным ограничителем является тепло. Если у вас ограниченная площадь вокруг драйвера для медного слоя, выполняющего функцию радиатора, вам нужно будет отдать приоритет характеристике RDS(on), чтобы драйвер генерировал как можно меньше тепла.

ID - Ток разряда

Если вы не используете двигатель только для кратковременных импульсов или у вас очень большой радиатор, ток разряда, вероятно, является одной из наименее критических характеристик для сравнения MOSFET. Как и в случае с Vdss, вам нужно убедиться, что выбранное устройство имеет достаточно высокий ID, чтобы ваш двигатель мог работать, включая пусковой и блокировочный ток. ID, скорее всего, не будет ограничивающим фактором для устройства, поскольку настоящим ограничением является способность отводить достаточное количество тепла от перехода/корпуса. Некоторые производители, такие как Infineon, указывают ID в своих технических описаниях для различных условий (напряжение VGS, площадь меди и т.д.), чтобы дать вам представление о дерейтинге. Например, в техническом описании IPT004N03LATMA1 указано, что устройство способно выдерживать 300A при большинстве условий. Однако, при всего 6см2 медной площади, оно способно выдержать только 72A.

Ptot - Рассеиваемая мощность

Как правило, вы обнаружите, что Ptot является значительно более ограничивающим фактором, чем ID. Если мы посмотрим на другой MOSFET в чрезвычайно маленьком корпусе с гораздо более высоким RDS(on), чем у удивительного MOSFET от Infineon выше, такой как Nexperia PMZB290UNE, мы можем увидеть, как максимальная общая мощность рассеивания ограничивает использование. У этого устройства RDS(on) составляет 380 миллиом, максимальный ток 1 ампер и максимальное напряжение 20 вольт. При 1см2 медной площади и температуре окружающей среды 25°C максимальная мощность рассеивания этого устройства оценивается в 360мВт. Мы можем заметить, что это значение достигается уже при 290мА и 3,3В, что значительно меньше номинальных значений напряжения или тока устройства. Мы можем сделать вывод, что устройство поддерживает до 20В или до 1А, но не одновременно из-за ограничений по общей мощности рассеивания.

QG - Заряд затвора

В начале статьи я упоминал, насколько важна способность драйвера подавать большой ток на затвор MOSFET. Заряд затвора, который отвечает за емкость затвора, является основной причиной этого. Каждый раз, когда вы включаете затвор, вам нужно подать столько энергии, иначе затвор не включится. Чем быстрее вы можете подать заряд, тем быстрее вы можете переключить затвор. Чем быстрее и чаще вы переключаете затвор, тем выше будет ваш ток затвора. Эти заряды довольно малы, но если вы переключаете затвор миллион раз в секунду, требуемый ток для зарядки и разрядки затвора значительно увеличивается. Вы можете подробно прочитать о том, как заряд затвора влияет на время переключения, в подробной технической заметке от Vishay. В целом, когда вы рассматриваете драйвер, вам нужно учитывать, сколько тока он должен будет подавать, рассчитывая количество заряда, необходимое вашему MOSFET при частоте работы вашей системы.

Ciss - Входная ёмкость

Входная ёмкость тесно связана с зарядом затвора. Входная ёмкость - это сумма ёмкости затвор-исток (Cgs) и ёмкости затвор-сток (Cgd). Входная ёмкость - это ёмкость MOSFET в целом, как она видна с входа. Заряд затвора - это количество заряда, необходимое для управления входной ёмкостью, чтобы MOSFET работал.

Характеристики защитного диода

Функциональность диода MOSFET замечательна, но это не то, что вы хотите использовать для ограничения переходных напряжений, возникающих при остановке или изменении направления двигателя. Эти напряжения могут быть довольно высокими и могут очень быстро вывести из строя или ухудшить состояние MOSFET. По моему опыту, не имеет значения, используете ли вы диод TVS или Шоттки, вам просто нужно что-то, чтобы помочь поглотить основной удар напряжений, если вы хотите надежный контроллер двигателя. Как поклонник фразы «если делать, то делать на совесть», я обычно ставлю диод TVS параллельно с диодом Шоттки на низкой стороне, и только диод Шоттки на высокой стороне, чтобы быть уверенным, что H-мост выдержит все, что бы ни было брошено в него. Следующие характеристики диодов могут быть для вас важны, когда вы встретите их в техническом описании.

TRR - Время обратного восстановления

Большинство диодов Шоттки, продаваемых сегодня, считаются быстровосстанавливающимися. Хотя чем быстрее, тем лучше, в общем и целом, скорость восстановления не будет сильно влиять на производительность вашего H-моста. Когда вы быстро запускаете и останавливаете двигатель, диод будет проводить в прямом смещении, когда двигатель выключается, а затем немедленно переключается на обратное смещение, когда двигатель снова включается. Диод будет проводить ток в обратном смещении в течение очень короткого интервала. Ток через диод будет довольно большим в обратном направлении в течение этого небольшого времени восстановления и может вызвать пробой, если время восстановления слишком долгое. Однако большинство диодов на рынке восстанавливаются намного быстрее, чем затвор MOSFET может выключиться, что делает это не проблемой.

VR - Обратное напряжение постоянного тока

Обратное напряжение должно быть выше, чем максимальное напряжение, которое вы ожидаете от вашего H-моста. Если вы используете батареи, убедитесь, что учитываете максимальное заряженное состояние, а не номинальное напряжение. Если диод начинает проводить в обратном направлении, вы можете начать наблюдать некоторые странные поведения вашего двигателя до того, как начнутся выходы из строя. Обратный ток относительно низок, но его достаточно, чтобы вызвать странные результаты, особенно в H-мостах меньшей мощности.

VF - Напряжение прямого смещения постоянного тока

Эта спецификация является одной из наиболее критических для диода Шоттки, поскольку её необходимо свести к минимуму насколько это возможно. Если ваше прямое напряжение выше, чем у встроенного диода MOSFET, MOSFET начнет ограничивать напряжение внутренним образом, а не полагаться на внешний диод и может в итоге взять на себя основной удар напряжений от двигателя. Ниже напряжение также означает меньший нагрев диода, что удобно при высокочастотной работе, когда вы уже сталкиваетесь с повышенными температурами платы из-за MOSFET.

IO - Выпрямленный ток

Выпрямленный ток для диода не должен быть особенно значительным, 5%-20% от тока вашего MOSFET (причем больший процент для меньших MOSFET) обычно будет достаточно. Диод будет испытывать короткие импульсы высокого тока каждый раз, когда вы прекращаете управление двигателем, поскольку он ограничивает напряжение. Если вы знаете индуктивность вашего двигателя, вы можете рассчитать это, и если вы строите универсальный H-мост, вы можете рассчитать для ряда двигателей или просто выбрать приблизительное значение. Это хорошая спецификация для тестирования на ваших первых прототипах с помощью осциллографа, чтобы увидеть, насколько реалистичны ваши ожидания. Одно предостережение здесь заключается в том, что если ток значительно ниже, чем вы ожидаете, это может означать, что ток проводит MOSFET, а не диод, что нехорошо.

Спецификации драйвера FET

Вы можете приобрести драйверы затворов с различным количеством драйверов. Однако, для управления H-мостом, вас, скорее всего, будут интересовать исключительно модели с двумя или четырьмя драйверами. Одиночные драйверы могут быть полезны, но наличие четырех одиночных драйверов занимает много места на плате, поэтому, если у вас нет очень конкретной причины для этого, вы, вероятно, захотите двойные или четверные варианты. При рассмотрении вариантов с двойным драйвером вы хотите убедиться, что драйвер предназначен для H-моста, а не для двух независимых драйверов высокой стороны в одном корпусе.

VIN - Напряжение питания

Напряжение питания для драйвера - это то, что будет питать его внутренние схемы, управлять затвором нижней стороны и создавать напряжение бутстрапа. У многих контроллеров напряжение бутстрапа равно напряжению высокой стороны плюс напряжение питания. Если вы уже выбрали MOSFET для вашего H-моста, вам нужно убедиться, что минимальное напряжение питания для драйвера ниже максимального напряжения затвора (VGS) MOSFET. Если ваше минимальное напряжение питания к драйверу выше максимального для затвора, вы быстро уничтожите MOSFET, и когда он выйдет из строя, с вашей платой могут произойти очень плохие вещи, поскольку потенциально сотни ампер коротко замкнут через H-мост.

VBOOT - Напряжение бутстрапа

Если напряжение бутстрапа отличается от напряжения питания, вам нужно убедиться, что это не будет слишком высоким для MOSFET. Проверьте спецификацию VGS на MOSFET, чтобы убедиться, что это не повредит затвор.

VDD - Напряжение питания логики

Современные микроконтроллеры обычно имеют логический уровень 1.8v или 3.3v, но некоторые старые могут работать на 5v. Убедитесь, что драйвер позволит вам использовать выходы вашего микроконтроллера для логики напрямую, так что вам не понадобятся дополнительные компоненты для преобразования сигналов в более высокое напряжение. У некоторых драйверов затворов логические пороги 4v или выше, что не будет работать с микроконтроллерами низкого напряжения.

IOHH - Пиковый ток подтяжки

Как упоминалось много раз в этой статье, основная причина использования интегральной схемы драйвера затвора заключается в возможности переключения больших токов на затвор для преодоления ёмкости затвора и очень быстрого включения затвора. Как только у вас будет представление о том, какой MOSFET вы используете, несколько быстрых расчетов, основанных на скорости вашего ШИМ, дадут вам представление о количестве энергии, которое необходимо передать на затвор в секунду, что позволит вам понять, какой пиковый ток драйвер должен обеспечить для затвора.

IOLH - Пиковый ток отпускания

По сути, это то же самое, что и ток подтяжки, только для разряда ёмкости затвора, когда вы хотите, чтобы MOSFET перестал проводить ток. Можно примерно предположить, что вам потребуется столько же тока отпускания, сколько и тока подтяжки, если вы не хотите углубляться в расчеты. Если вы используете особенно высокочастотный ШИМ, эти два значения тока могут стать основными факторами выбора драйвера затвора.

Это основы выбора компонентов, необходимых для создания моста Н-канального MOSFET H-Bridge для управления большими моторами с высоким током или высоким напряжением. Тот же выбор применим, независимо от того, работаете ли вы с мотором на 5 ампер и 12 вольт или с мотором на 80 ампер и 200 вольт. Ваша схема H-Bridge будет той же, только с разными характеристиками компонентов.

Помните, что выбор компонентов - это итеративный процесс. Как только вы выбрали MOSFET, если только это не единственный доступный вариант, вам следует переоценить, является ли он по-прежнему идеальным выбором после выбора драйвера затвора. Точно так же, если ваши требования к частоте управления изменятся, вам, возможно, придется снова пересмотреть выбор компонентов. В общем, если что-то в вашем проекте или требованиях меняется, вам, вероятно, стоит снова пройтись по выбору компонентов, чтобы убедиться, что выбор по-прежнему оптимален.

Может показаться, что необходимо принять много решений и учесть множество сложных спецификаций. Однако, если снова взглянуть на схему H-Bridge в начале этой статьи – она довольно проста, правда? Большинство здесь упомянутых спецификаций - это просто здравый смысл, обеспечивающий, чтобы каждый компонент мог выдержать ток и напряжение, требуемые вашей нагрузкой. Как оказывается, вы можете очень легко сузить список возможных компонентов, используя всего несколько фильтров на Octopart^®, а затем выбрать из более короткого списка то, что наиболее подходит для вашего приложения.

Мы надеемся, что эта статья была для вас полезной! Если вы хотите получать подобный контент на свой почтовый ящик, подпишитесь на нашу ежемесячную рассылку!