Selección de un MOSFET para una aplicación específica en función de la velocidad de conmutación

Question

Estoy intentando diseñar un circuito para controlar la velocidad de un motor utilizando PWM.

Tengo la intención de ejecutar el PWM en (al menos) 10kHz. La biblioteca PWM que estoy usando permite 1024 pasos para el ciclo de trabajo (0 a 100% en 1024 pasos.) El menor tiempo de "encendido" es de unos 98 nanosegundos.

Supongo que necesito un MOSFET con un tiempo de conmutación más rápido que ese.

Por lo que veo en las hojas de datos, necesito encontrar un MOSFET con un tiempo total inferior a 98 nanosegundos para los siguientes parámetros:

• Tiempo de retardo al encendido
• Tiempo de subida
• Tiempo de retardo de desconexión
• Tiempo de otoño

Tomar la IPA60R360P7S como ejemplo, encuentro los siguientes valores:

Parámetro

Valor

Tiempo de retardo al encendido

8ns

Tiempo de subida

7ns

Tiempo de retardo de desconexión

42ns

Tiempo de otoño

10ns

Eso da un total de 67 nanosegundos.

• ¿Sería este MOSFET lo suficientemente rápido para los pulsos PWM más cortos?
• ¿Qué hace que sea lo suficientemente rápido? Es decir, ¿cómo puedo saberlo?
• ¿Cómo de cerca pueden estar la anchura del pulso y el total de los parámetros temporales antes de que se distorsionen los pulsos más cortos?
• ¿Qué otros parámetros del transistor debo tener en cuenta para encontrar el tiempo de impulso más corto?

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Conmutar la puerta lo suficientemente rápido es un problema aparte. Usaré un controlador de puerta para eso, pero aún no he elegido ninguno. Primero quiero entender cómo elegir el transistor.

Sí, necesito los 600 V del MOSFET. Voy a accionar un motor universal pequeño (100 vatios) con una red de CA rectificada (240 V CA). Creo que menos de 600 V estaría demasiado cerca de los 340 V CC de la red rectificada.

La frecuencia PWM final será tan alta como el microcontrolador pueda funcionar sin saltarse pulsos. No quiero oír "squeeeeeee" mientras el motor está en marcha, y no quiero oír "mmmmmmm" tampoco (de bajas frecuencias.) Esto será en una máquina de coser, con el motor alrededor de un pie de mi cabeza cuando estoy trabajando. La máquina en sí es lo más parecido al silencio y quiero que siga siendo así.

Answer 1

La velocidad de un MOSFET depende sobre todo del controlador de puerta que le suministres y de su inductancia parásita de puerta. Sí, ese FET funcionará.

Tu motor no responderá a pulsos de 98 ns -- de hecho probablemente no responderá hasta que el ciclo de trabajo alcance el 10% o así. Tenga en cuenta que 10 kHz es una frecuencia bastante alta para el accionamiento del motor; esto no será particularmente eficiente y puede generar un molesto quejido que los niños y los perros oirán. Dependiendo del motor y la carga, algo como 100 Hz podría ser más adecuado.

Answer 2

Esta otra respuesta se refiere a un documento de Unitrode que explica con detalle el diseño de controladores MOSFET (e IGBT).

La conclusión para mí es que se puede calcular la corriente de puerta necesaria ( \$I_g\$ ) del tiempo de conmutación necesario: si se dispone de un controlador lo suficientemente "robusto", se puede hacer que un MOSFET conmute prácticamente a la velocidad que se desee.

La ecuación para la corriente de puerta dada \$Q_g\$ (carga total de puerta de la hoja de datos) y el tiempo de conmutación deseado es:

$$ I_g = \frac {\Delta Q_g}{t_{transition}} $$

• \$I_g\$ está en amperios
• \$\Delta Q_g\$ está en culombios
• \$t_{transition}\$ es en segundos

Como ejemplo concreto:

• \$Q_g\$ del IPA60R360P7S (mencionado en la pregunta) es de 13 nC.
• \$t_{transition}\$ es de 98 nanosegundos

Necesitaría un conductor capaz de conducir \$ \frac {13nC}{98nF} = 0.133A\$ .

Estaba mirando el ADuM4120 controlador de puerta aislado para su uso en mi controlador de motor. Es capaz de suministrar 2,3 A a la puerta del MOSFET, por lo que debería ser capaz de encender el IPA60R360P7S en 98 microsegundos.

Para un voltaje de puerta de 12V, eso también implica que la resistencia de puerta debe ser inferior a 100 ohmios para que el driver pueda empujar tanta corriente a la puerta.

Para seleccionar un MOSFET, también tendré que tener en cuenta el CI controlador de puerta. Será un compromiso entre la corriente de puerta del driver, y la carga total de puerta, como se indica en la hoja de datos del MOSFET.

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Esto es, naturalmente, una simplificación basada en lo que leo sobre un tema en el que soy nuevo.

Se aceptan comentarios y correcciones.