Втрати MOSFET в інверторі BLDC: розрахунок

Втрати MOSFET в інверторі BLDC: розрахунок

Втрати MOSFET в інверторі визначають, чи доживе регулятор BLDC-двигуна до кінця польоту або поїздки. Регулятор на 60 А з неправильно підібраними ключами, затвором чи мертвим часом перегрівається на 30 А. Щоб цього не сталося, треба порахувати втрати на провідність, комутацію і діод, температуру кристала, а також вибрати драйвер, шунт і конденсатори ланки DC. У статті розбираємо, з чого складаються втрати MOSFET у трифазному мості і як їх рахує калькулятор ключів у SparSIT LAB.

З чого складаються втрати MOSFET

СкладоваФормула (спрощено)Від чого залежить
ПровідністьI² · Rds(on)(Tj) · Dструм, опір ключа, температура
Комутація(Eon + Eoff) · fШІМзаряд затвора, драйвер, напруга, частота
Coss і Qrr½·Coss·V²·f, Qrr·V·fвихідна ємність, зворотне відновлення діода
Діод у мертвий часVf · I · 2·tdead · fмертвий час, частота

Важливо, що Rds(on) у даташиті вказаний при 25 °C. При 100–125 °C він зростає в 1,6–1,8 раза, а отже, й втрати на провідність. Калькулятор рахує це ітеративно: втрати → температура → новий Rds(on) → нові втрати.

Калькулятор ключів інвертора в SparSIT LAB

Сторінка «Ключі (інвертор)» має три блоки вхідних даних:

  1. Режим: струм фази, частота ШІМ, шпаруватість, температура середовища і схема ШІМ. Комплементарний ШІМ (синхронне випрямлення) чи ШІМ верхнього ключа з рециркуляцією через діод.
  2. MOSFET з даташиту: Rds(on), температурний коефіцієнт, напруга плато Міллера, внутрішній Rg, Vf діода, теплові опори кристал–корпус і корпус–повітря. Є готові приклади: IRFB7430, IPB017N10N5, BSC010N04LS, IRF3205, AON6512.
  3. Драйвер і обв’язка: напруга драйвера, мертвий час, вихідні опори драйвера на заряд і розряд, зовнішній Rg, діапазон шунта, допустимі пульсації DC.

Що видає розрахунок

  • Верхній і нижній ключ окремо: провідність, комутація (Eon + Eoff у мкДж за цикл), Coss/Qrr, рециркуляція і діод у мертвий час. Разом — сумарні втрати і температура кристала Tj.
  • Швидкість фронтів dV/dt при вмиканні й вимиканні та мінімальний мертвий час. Якщо заданий мертвий час замалий, програма попереджає про ризик наскрізного струму.
  • Потужність драйверів для 6 ключів і мінімальна ємність бутстреп-конденсатора.
  • Втрати й ККД моста в цілому.
  • Шунт: номінал під діапазон підсилювача струму і потужність з подвійним запасом.
  • Конденсатори ланки DC: пульсаційний струм RMS і мінімальна ємність під допустимі пульсації.
  • Напруга компонентів: ключі з запасом 1,5× на викиди, конденсатори — 1,25×.

Графік втрат від струму показує, де закінчується безпечна зона роботи ключа.

Як зменшити втрати MOSFET

  • Знизити частоту ШІМ, якщо комутаційні втрати переважають. Але пульсації струму в двигуні з малою індуктивністю зростуть: перевірте їх у калькуляторі двигуна.
  • Використати синхронне випрямлення замість рециркуляції через діод.
  • Зменшити Rg, але стежити за dV/dt і дзвоном.
  • Поставити паралельно два ключі або вибрати ключ з меншим Rds(on).
  • Покращити тепловідвід: Rth корпус–повітря з радіатором 1–5 °C/Вт, на платі з полігоном — 15–40 °C/Вт.

SparSIT LAB — безкоштовний бета-доступ

Проєктуєте регулятор BLDC або вибираєте MOSFET для інвертора? Калькулятор ключів у SparSIT LAB рахує втрати, температуру кристала, мертвий час, шунт і конденсатори одночасно. Бета-доступ безкоштовний.

Отримати бета-доступ Усі можливості SparSIT LAB →

Часті запитання

Який мертвий час ставити?

Мінімальний — щоб ключ встиг закритися з урахуванням драйвера і Rg. Калькулятор оцінює його з dV/dt. На практиці додають 30–50% запасу, бо кожна наносекунда мертвого часу — це втрати на діоді.

Чому верхній ключ гріється сильніше за нижній?

При ШІМ верхнього ключа саме він комутує, тож має і провідність, і комутаційні втрати. Нижній ключ працює як синхронний випрямляч з м’якою комутацією.

Чи можна перевірити розрахунок осцилографом?

Так. Виміряйте фронти на стоці й затворі осцилографом Siglent SDS1204X-E і порівняйте dV/dt та мертвий час з розрахунком.

Корисні джерела: Power MOSFET (Wikipedia).

Related Posts

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.