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
| Складова | Формула (спрощено) | Від чого залежить |
|---|---|---|
| Провідність | I² · Rds(on)(Tj) · D | струм, опір ключа, температура |
| Комутація | (Eon + Eoff) · fШІМ | заряд затвора, драйвер, напруга, частота |
| Coss і Qrr | ½·Coss·V²·f, Qrr·V·f | вихідна ємність, зворотне відновлення діода |
| Діод у мертвий час | Vf · I · 2·tdead · f | мертвий 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:
- Режим: струм фази, частота ШІМ, шпаруватість, температура середовища і схема ШІМ. Комплементарний ШІМ (синхронне випрямлення) чи ШІМ верхнього ключа з рециркуляцією через діод.
- 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.
- 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).
