Alimentation et refroidissement d'un NMOS à 20KHZ

[omega7130]

Bonjour à tous

Je m'initie à l'électronique et j'ai pour projet de faire varier la vitesse d'un moteur à courant continu de 20A sous 24V à l'aide d'une MLI générée par un µC à 20Khz.
J'ai un Nmos IRF1404 et je souhaiterais savoir si il peut convenir à mon application, j'ai donc fait des recherche sur les différents calculs à réaliser.

Que pensez-vous de mes résultats ? Je n'en suis pas convaincu ^^

Merci à vous !


Caractéristiques du transistor NMOS
Transistor IRF1404 TO220: http://www.futurlec.com/Transistors/IRF1404.shtml
VDSS = 40V
RDS(on) = 0,004 ohms si VGS = 10v
ID = 202A
Qg = 196nC
Td(on) = 17ns
Tr = 190ns
Td(off) = 46ns
Tf = 33ns

Etude Thermique
Etude du transistor NMOS IRF1404 :
Pertes par conduction :
Pc=Rdson*Ieff ²  0,004*20 ² = 1,6W
Pertes par commutation :
Pf = ½*Vds*Ieff*(tr+tf)*f  0,5*24V*20A*(0,000000190 + 0,000000033)*20000hz = 1,07W
Pertes total :
Ptot = Pc + Pf = 1,6W + 1,07W = 2,67W

Etude du dissipateur minimum:
T°jmax : Température de la jonction maximum = 175° - 25° de marge = 150°C
T°a : Température de l'air = 25° + 25° de marge = 50°C
Rthj/c : Résistance thermique jonction/boitier = 2°C/W
Rthc/d : Résistance thermique boitier/dissipateur = 0.5°C/W
Rthd/a : Résistance thermique dissipateur/air = ?
Pmax : Puissance à dissiper = 2,7W

Résistance thermique minimum dissipateur =
Rthd/a = ((T°jmax - T°a) / Pmax) - (Rthj/c + Rthc/d)
Rthd/a = ((150 - 50) / 2,7) - (2 + 0.5)
Rthd/a = 36, 1°C/W
Donc je vais prendre un REFROIDISSEUR TO220 8°C/W AVEC BROCHES - ML73/1.5P

CALCUL DU COURANT DE GRILLE :
Intensité à appliquer sur la grille d'un IRF1404 pour commuter à 20Khz :
Qg * F = 196Nc * 20000Hz = 3920000nA = 3,9 mA
-----

[PIXEL]

tu oublies un phénomène capital...

à 20 kHz , le comportement des bobinages de ton moteur va être imprévisible,
et , AMHA ils ne laisseront rien passer à cette fréquence : self-inductance et effet de peau !

pratiquement on découpe à 100-300 Hz GRAND MAXI (il te suffit d'écouter les moteurs du métro
ou d'un tram)

[Antoane]

Bonjour,

tu oublies un phénomène capital...

à 20 kHz , le comportement des bobinages de ton moteur va être imprévisible,
et , AMHA ils ne laisseront rien passer à cette fréquence : self-inductance et effet de peau !

La composante DC du signal PWM n'est pas sensible à l'effet de peau car le phénomène est linéaire (dans le domaine fréquentiel), non ?

Quelle que soit leur fréquence, les harmoniques du signal de découpage, sont de toute façon filtrées par l'inductance des bobinages, elle ne participent pas à l'apport de puissance mécanique.

[PIXEL]

donc grosse perte....

pourquoi ne découpe t'on pas à ces fréquences en traction ?

y'a bien une bonne raison ...

D'AUTRE PART , la capa de gate de l'IRF est de 8 nano-farad.

alors 4 mA pour le piloter à 20 kilos..... y'a comme une gourance

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

pourquoi ne découpe t'on pas à ces fréquences en traction ?

y'a bien une bonne raison ...

Les pertes par commutation des switches et leur vitesse de commutation limitée. C'est, me semble-t-il, un problème uniquement lié au convertisseur lui-même et non au moteur.

[PIXEL]

"ATTENTION :
Une fréquence de découpage élevée réduit le bruit
magnétique, en revanche, elle augmente les
échauffements moteur et le niveau d’émission de
perturbations radio-fréquence et diminue le couple au
démarrage"

extrait de :

http://www.leroy-somer.com/documenta...f/3756c_fr.pdf

[omega7130]

Bonjour, je vous remercie d'avoir pris le temps de me répondre
J'ai écouter vos conseils et je vais redescendre ma fréquence à 300Hz.

Je me disais bien que 4mA était une erreur mais je ne parviens pas
à trouver la bonne formule. Aurriez-vous s'il vous plait l'amabilité de me la communiquer ?

En modifiant les calculs sur la dissipation de chaleur, j'obtient donc :

Etude Thermique

Etude du transistor NMOS IRF1404 :

Pertes par conduction :
Pc=Rdson*Ieff² = 0,004*20² = 1,6W

Pertes par commutation :
Pf = ½*Vds*Ieff*(tr+tf)*f = 0,5*24V*20A*(0,000000190 + 0,000000033)*300hz = 16mW

Pertes total :
Ptot = Pc + Pf = 1,6W + 0,016W = ~1,7W

Etude du dissipateur minimum:
T°jmax : Température de la jonction maximum = 175° - 25° de marge = 150°C
T°a : Température de l'air = 25° + 25° de marge = 50°C
Rthj/c : Résistance thermique jonction/boitier = 2°C/W
Rthc/d : Résistance thermique boitier/dissipateur = 0.5°C/W
Rthd/a : Résistance thermique dissipateur/air = ?
Pmax : Puissance à dissiper = 1,7W

Résistance thermique minimum dissipateur =
Rthd/a = ((T°jmax - T°a) / Pmax) - (Rthj/c + Rthc/d)
Rthd/a = ((150 - 50) / 1,7) - (2 + 0.5)
Rthd/a = 56, 4°C/W

Est-ce correcte ?

[Antoane]

Hej,

"ATTENTION :
Une fréquence de découpage élevée réduit le bruit
magnétique, en revanche, elle augmente les
échauffements moteur et le niveau d’émission de
perturbations radio-fréquence et diminue le couple au
démarrage"

extrait de :

http://www.leroy-somer.com/documenta...f/3756c_fr.pdf

Merci pour la référence.
Je ne comprend pas pourquoi l'échauffements moteur augmente avec fsw. Pour une harmonique donnée de fréquence fsw :
- le courant dans l'enroulement décroit en 1/(fsw) à cause de l'impédance de la bobine ;
- la résistance croit en sqrt(fsw) à cause de l'effet de peau ;
- la puissance perdue est en RI², donc en fsw^(-3/2)
Donc P devrait décroître avec fsw... Je ne vois pas où je me plante.
A moins que ce soient les pertes fer qui posent problème ?

[Antoane]

Hej,
4mA est le courant moyen, il faut envoyer des pics de courant de l'ordre de l'ampère lors des commutations.

Les temps de commutation sont probablement sous-estimés car tu ne prends pas en compte le temps de charge/décharge de la capa de grille du MOSFET.

Le reste sonne bien.

[PIXEL]

Hej,

Merci pour la référence.
Je ne comprend pas pourquoi l'échauffements moteur augmente avec fsw. Pour une harmonique donnée de fréquence fsw :
- le courant dans l'enroulement décroit en 1/(fsw) à cause de l'impédance de la bobine ;
- la résistance croit en sqrt(fsw) à cause de l'effet de peau ;
- la puissance perdue est en RI², donc en fsw^(-3/2)
Donc P devrait décroître avec fsw... Je ne vois pas où je me plante.
A moins que ce soient les pertes fer qui posent problème ?

une grande partie de l'énergie étant dans les harmoniques , l'effet de peau n'est plus négligeable.
http://www.transfomaniac.com/bases/physique/cuivre3.htm

les alims à découpage utilisent du fil de Litz à ces fréquences

[biloux911]

Ça dépend pour quoi c'est faire se mettre au dessus de la bande audible ça peut être sympa même si on perd ailleurs. (Au boulot j'ai déjà vu des design de moteur DC à 100kHz).

[omega7130]

Je vous remercie de votre aide et pour vos précieux conseils.

Les temps de commutation sont probablement sous-estimés car tu ne prends pas en compte le temps de charge/décharge de la capa de grille du MOSFET.

S'agit t'il de td(on) = 17ns et de td(off) = 46ns ?

Si je comprend bien :
Pf = ½*Vds*Ieff*(tr+tf + td(on) + td(off))*f = 0,5*24V*20A*(0,000000190 + 0,000000033 + 0,000000017 + 0,000000046)*300hz = 20,5mW

4mA est le courant moyen, il faut envoyer des pics de courant de l'ordre de l'ampère lors des commutations.

Ah donc je n'avait pas tout faux , mais comment calculer la valeur de ses pics de courant ?

Je souhaite calculer le courant de maniére précise afin de pouvoir choisir un driver de MOS mais je ne trouve pas de formule.
Pourriez-vous me guider sur la maniére de procéder s'il vous plait ?

Bien à vous

[PIXEL]

c'est la simple étude de la constante de temps d'un circuit RC.

vois tes cours de physique , on y revient toujours...

[omega7130]

c'est la simple étude de la constante de temps d'un circuit RC.

Auriez-vous un exemple ?

[bastien31]

t = R*C

Un condensateur est chargé a 63% en 1t
95% en 3t
99% en 5t

Mais c'est plu compliqué dans ton cas, R est fixé par la Rout de ce qui commande ta grille.

C'est aussi ce Rout qui peut définir la valeur des pics de courant.

Mais a 300hz je pense que la puissance perdue lors de la commutation est négligeable. sauf si ta commande ne peut fournir qu'un courant ridicule.

[Antoane]

Bonjour,

S'agit t'il de td(on) = 17ns et de td(off) = 46ns ?

Rien à voir . Les temps de commutations sont fonction du MOSFET employé (i.e. de sa capacité d'entrée) et du driver utilisé. Ils ne peuvent donc pas être spécifiés dans la datasheet du mosfet.

Je souhaite calculer le courant de maniére précise afin de pouvoir choisir un driver de MOS mais je ne trouve pas de formule.
Pourriez-vous me guider sur la maniére de procéder s'il vous plait ?

Ou bien tu choisis un temps de transition "raisonnable" eu égard à la période de découpage et aux courant qu'il est raisonnable de mettre en jeu et tu en déduis le driver ou bien tu choisis un driver et tu en déduis le reste.

Tu câbles une résistance Rs en série entre la sortie du driver et la grille du MOSFET, la Rout dont parle bastien31 est égale à la somme de cette Rs et de la résistance interne du driver (dans la datasheet). Le pic de courant à lieu au début de la commutation, il vaut alors Vcc/Rout (Vcc la tension d'alim). La durée de la transition est approximativement (la capa d'entrée d'un MOSFET n'est pas linéaire) donnée par la relation de bastien31.

Ex. de drivers :
http://ww1.microchip.com/downloads/e.../20002092F.pdf
http://ww1.microchip.com/downloads/e...Doc/22019B.pdf
http://www.microchip.com/ParamChartS...&pageId=79

[invite03481543]

Bonjour,

dans un MOS il y a 2 types de pertes qui se cummulent, la perte par conduction c'est à dire P=Rds(on)*Id² et la perte par commutation P=0.5*Vds*Id*F*(tf+tr) avec tf le temps de descente et tr le temps de montée.
La surface engendrée par le croisement de Id et Vds produit l'essentiel de l'échauffement, c'est cette surface qu'il faut diminuer.
Pour cela on accélère le temps de mise en conduction par un driver par exemple comme il a été dit ou/et on met en place un circuit d'aide à la commutation (CALC).

A faible fréquence la puissance par commutation est assez faible voir totalement négligeable, tout dépend de la tension et du courant et de la structure du MOS, de son R(th)j-a qui va conditionner les °C/W acceptables.
Une information souvent négligée par les novices est la charge d'entrée Q, exprimé donc en Coulomb, qui indique le courant à appliquer en fonction du temps de commutation souhaité.

Par exemple si on a Qmax=20nC T=10µs (frequence de travail 100KHz)

si tmin= 100ns on a Imax= 0.2A (tmin est le temps de montee du signal de commande)

Avec 10ns -> Imax=2A
Si la datasheet donne le temps de montee max du transistor a 20ns, donc le Imax ne devra pas (et ne pourra pas) excéder 1A (sous peine de destruction de l'entrée à court terme).

Tout se calcule avant, toujours.

@+