Dimensionnement d'un dissipateur - pont en H pour moteur

[invite9952029f]

Bonjour à tous,

Je suis en train de dimensionner un pont en H pour piloter un moteur 48V 26A, le problème étant, que je ne sais pas si la puissance dissipée par les MOS ne risque pas de les fairent griller.

Il y a 5 MOS canal N dans mon montage :
- 4 pour faire le pont en H de base
- 1 pour faire une commande de sécurité qui vient couper l'alimentation 48V dans tout le circuit en cas de besoin, et donc qui prend autant de courant que les autres, vu qu'il est passant par défaut.

Ces 5 MOS sont des IRFB4410PBF en boitier TO220.

Rds(on) sur ce modèle vaut 0.008 ohm.
Pour sur-dimensionner un peu le tout, admettons que le moteur consomme 30A en permanence.
Rjc (jonction-case) = 0.61°C/W
Maximum Power Dissipation = 200W

La puissance dissipée P = I²*R donc dans mon cas (30² * 0.008) = 7.2W pour chaque NMOS.
J'ai bon ?

Ensuite, la est le soucis, car je ne sais pas du tout dimensionner le dissipateur nécessaire, si un ventilateur est nécessaire, etc... Je suis un peu perdu au milieu de tout ces chiffres que je connais pas trop.

Le but étant d'avoir un seul dissipateur pour tout le groupe de NMOS, si vous pouviez m'orienter vers une piste, ou même si vous avez des exemples concrets, ce serait super

Je vous remercie d'avance,
Maxime
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[invite71a6c60d]

Salut EroticA

Si on regarde la datasheet le


RθJC Junction-to-Case ––– 0.61 degree/W
RθCS Case-to-Sink, Flat Greased Surface , TO-220 = 0.5 degree/W

On va dire que temperature ambiante 40 degree
Max temperature FET 100degree

Max Power dissipated = 200W?

(RθCS+RθJC+R_Dissipateur) * 200W = 100 degree - 40 degree

(RθCS+RθJC+R_Dissipateur) = 0.3 /!\ pas possible
------------------------------------------------------------------------------

=> changement de spec:

On va dire que temperature ambiante 40 degree
Max temperature FET 160 degree
Max Power dissipated = 50W


(RθCS+RθJC+R_Dissipateur) * 50W = 160 degree - 40 degree

(RθCS+RθJC+R_Dissipateur) = 2.4
R_Dissipateur = 1.3

--------------------------------------------------------------
direction revendeur electronique style Farnell:

http://uk.farnell.com/c/cooling-ther...ent/heat-sinks

et je trouve celui ci

http://uk.farnell.com/aavid-thermall...t%2Fheat-sinks

Repete l'operation jusqu'a obtenir
-des specifications honorables (temperatures)
-Un heatsink pas trop cher ou encombrant
-Si problème change de MOSFET pour un encore plus performant

[invitee05a3fcc]

...... Max Power dissipated = 200W? ...... Max Power dissipated = 50W....

Comment tu détermines ces valeurs ?

[invite71a6c60d]

C'est totalement au pif

en fait quand on design un circuit comme ca on aimerait bien que le tout soit rated 200W alors qu l'on utilisera que 100W peak mais avec les calculs on redescend vite sur terre!

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitee05a3fcc]

C'est totalement au pif

c'est ce j'avais pigé .....

en fait quand on design un circuit comme ca on aimerait bien que le tout soit rated 200W alors qu l'on utilisera que 100W peak mais avec les calculs on redescend vite sur terre!

et tu lui proposes un radiateur qui est un marteau pilon !
Il a fait le calcul :

La puissance dissipée P = I²*R donc dans mon cas (30² * 0.008) = 7.2W pour chaque NMOS.
J'ai bon ?

Qui est faux .
- Le Rdson double entre sa valeur à 25° et sa valeur à 100°
- Il n'a pas tenu compte des pertes en commutation

[invite71a6c60d]

Mais je propose rien

je donne les outil pour aller a la pêche!

[invitee05a3fcc]

je donne les outil pour aller a la pêche!

Ouais .... un hameçon tordu.

[invite71a6c60d]

Pour ce qui est des ventilateur:

Les calculs exacts sont évidemment impossible a deviner (trop de parametres)

Voila a peut pret ce qui peut etre espere:

LFM Adjustment Factor
100 0.757
200 0.536
300 0.439
400 0.378
500 0.338
600 0.309
700 0.286
800 0.268
900 0.252
1000 0.239

source: Aavid Thermalloy
----------------------------------------------------------------

Donc on devrait pouvoir baisser la resitance/W d'un heatsink par 4

Les ventillateurs sont vendu avec la spec CFM (cubic feet per minute)

pour trouver le LFM (linear feet per minute)

LFM = CFM / surface


-------------------------------------------------------------------
example:
612F/2L-640 50 mm (diam) CFM = 8.8

Surace ft2= pi * (50 * 0.00328084 / 2)^2 = 0.0211

LFM = CFM / surface = 8.8 / 0.00190 = 416

donc si j'utilise un heatink de 2 deg/W

j'obtiens 2 * 0.378 = 0.756 deg/W
----------------------------------------------

[invitee05a3fcc]

Je suis en train de dimensionner un pont en H pour piloter un moteur 48V 26A,

Tu peux donner le schéma de ton pont H avec l'alimentation ?
Ton moteur doit aussi freiner la charge au ralentissement ?

Rds(on) sur ce modèle vaut 0.008 ohm.

Non . 0,010 ohm à 25°

Le but étant d'avoir un seul dissipateur pour tout le groupe de NMOS

Tu augmentes la résistance thermique de fixation avec l'utilisation d'un isolant

[invite9952029f]

Bonjour,

Tout d'abord, merci de m'aider sur ce sujet.

@hulk69, je ne comprend pas les calculs que tu as écrit :

(RθCS+RθJC+R_Dissipateur) * 200W = 100 degree - 40 degree

(RθCS+RθJC+R_Dissipateur) = 0.3 /!\ pas possible

car je ne sais pas à quoi correspond :
- max power dissipated => c'est la puissance maximum que le boitier peut dissiper ?
- le résultat du calcul => C'est la résistance thermique que le dissipateur doit avoir ?

@DAUDET78,

En effet, je n'ai pas pris le bon calcul pour le Rds(on), donc si je prend comme valeur 0.02 ohm (valeur prise sur la courbe Rds(on) en fonction de la temperature, à plus de 100°C) :

P = I²*R donc (30² * 0.02) = 18W (je prend un peu plus large pour la consommation du moteur, disons 30A)

C'est mieux ?

Maintenant, pour les pertes en commutation, j'ai trouvé cette formule :

Ps = ½ × VDS × ID × ( tr + tf )× F

Donc avec mes valeurs : Ps = ½ × 48 × 30 × ( 80 + 50 )× 1000.

Le soucis, c'est pour tr et tf, je dois les mettre en seconde ou je les laissent en nanoseconde ?

Je posterais le schéma ce soir, car je ne l'ai pas avec moi, pour l'alimentation 48V, ce sera 4 batteries 12v au plomb en série, donc il y a possibilité d'avoir un peu plus de 48V lorsqu'elles seront chargées à fond, non ?

Encore merci de votre aide

[invitee05a3fcc]

Le soucis, c'est pour tr et tf, je dois les mettre en seconde ou je les laissent en nanoseconde ?

Toujours dans le système de base : Mètre, Seconde etc

pour l'alimentation 48V, ce sera 4 batteries 12v au plomb en série, donc il y a possibilité d'avoir un peu plus de 48V lorsqu'elles seront chargées à fond, non ?

Oui, 53V en charge. par contre tu pourras faire de la récup au freinage

[invite9952029f]

Toujours dans le système de base : Mètre, Seconde etc

Oui, en faisant le calcul, ça marche mieux avec des secondes...
Donc pour le calcul des pertes en commutation :


Ps = ½ × VDS × ID × ( tr + tf )× F

Ps = ½ × 48 × 30 × ( 8e-8 + 5e-8 )× 1000.

Ps = ½ x 0,1872

Ps = 0,0936 W


Quelqu'un pour me confirmer le résultat ?


Admettons que l'on arrondisse à 20W, l'énergie à dissiper :
Si je reprend le calcul de hulk69 :

(RθCS+RθJC+R_Dissipateur) * 20W = 100 dégrées - 40 dégrées

Donc :

60°C / 20 W = 3°/W

Comme Rjc (jonction-case) = 0.61°C/W et Rcs = 0,5°C/W

3 - 0,61 - 0,5 = 1,89°C/W pour le Rth du dissipateur.

J'ai bon ? Si oui, ca veut dire qu'il me faut un dissipateur de 1,89°C/W max par NMOS ?

Oui, 53V en charge. par contre tu pourras faire de la récup au freinage

Les batteries seront isolées du circuit lors de la charge. La récupération se fait via les diodes de roues libres qui protègent les MOS non ? (j'en ai rajouté d'autres plus performantes que celles intégrées au MOS de base)

[invitee05a3fcc]

Ps = 0,0936 W
Quelqu'un pour me confirmer le résultat ?

A 1Khz, c'est normal que les pertes de commutation soient faibles

Rcs = 0,5°C/W

C'est peu si tu as un isolant

3 - 0,61 - 0,5 = 1,89°C/W pour le Rth du dissipateur.

J'ai bon ? Si oui, ca veut dire qu'il me faut un dissipateur de 1,89°C/W max par NMOS ?

Oui et non
Car il n'y a que deux NMOS conducteurs en même temps

j'en ai rajouté d'autres plus performantes que celles intégrées au MOS de base

Ouf !

J'attend ton schéma du pont H

[invite9952029f]

C'est peu si tu as un isolant

C'est a dire ?

Oui et non
Car il n'y a que deux NMOS conducteurs en même temps

C'est vrai, je n'y avais pas pensé, donc 1 pour deux MOS avec de l'isolant.

Le schéma est en PJ, je ne sais pas trop si c'est comme ca que je dois la partager.



Certains composants ont ete remplacé comme les MOS, ce ne sont plus les bons noms de composants

[invitee05a3fcc]

C'est le jeu des sept erreurs ton schéma ?
Bref, il ne marche pas et explose tes MOS .
Des schémas de pont H , on en trouve des tas sur le WEB. Pourquoi réinventer le fil chaud à couper le beurre ?

Liste non limitative :
- Q24 explose à la première mise sous tension
- Les drains de Q1 et Q3 sont alimentés en 10V au grand max
- Pourquoi deux photocoupleurs en cascade U16 et U1 et un montage qui ne marche pas ?
- Pourquoi des photocoupleurs alors que le OV de la commande et des NMOS Q2 Q4 est commun?
- Pas de DeadTime sur Q1 Q2
- Pourquoi un relais RLYMI4 ???? on est en 2018, et il n'est pas indispensable d'utiliser de la ferraille.

MOT_CMD est généré comment ?

[invite9952029f]

- Q24 explose à la première mise sous tension

Pourquoi ? Si les MOS ne sont pas passants, le courant, si l'on néglige les fuites, est proche de 0 non ?

- Les drains de Q1 et Q3 sont alimentés en 10V au grand max

Les Gates plutôt non ?

- Pourquoi deux photocoupleurs en cascade U16 et U1 et un montage qui ne marche pas ?

Les photocoupleurs sont en cascade pour commander les MOS : U1 transmet la commande du microcontroleur, et U16 permet de desactiver cette commande des MOS (il shunt la LED de U1).

- Pourquoi des photocoupleurs alors que le OV de la commande et des NMOS Q2 Q4 est commun?

La, je n'ai pas compris ta question..

- Pas de DeadTime sur Q1 Q2

Non, je ne sais pas comment faire.

- Pourquoi un relais RLYMI4 ???? on est en 2018, et il n'est pas indispensable d'utiliser de la ferraille.

C'est parce que je veux pouvoir activer/désactiver la sécurité logiciellement, IMOT_ENABLE est piloter par un microcontroleur, donc pour l'isolation galvanique utiliser un relais, c'est le plus simple à mon gout.

IMOT_CMD est généré par U8-A, si la tension image du courant dépasse 3V (I = ~30A) alors on vient shunter les commandes des MOS, si cette surconsommation dure dans le temps et dépasse les 100 ms, alors on vient couper l'alimentation 48V du circuit via Q24.

[invitee05a3fcc]

Pourquoi ? Si les MOS ne sont pas passants, le courant, si l'on néglige les fuites, est proche de 0 non ?

c'est quand tu tentes de mettre Q24 passant qu'il explose

Les Gates plutôt non ?

Je parle des drains (pour le moment)

Les photocoupleurs sont en cascade pour commander les MOS : U1 transmet la commande du microcontroleur, et U16 permet de desactiver cette commande des MOS (il shunt la LED de U1).

Dans le monde des bisounours !

La, je n'ai pas compris ta question..

Un photocoupleur ne sert pas de porte logique mais pour isoler galvaniquement deux circuits dont on ne veut pas que les 0V soient reliés

Non, je ne sais pas comment faire.

Ben faudrait ... sinon tes NMOS ne vont pas aimer

C'est parce que je veux pouvoir activer/désactiver la sécurité logiciellement, IMOT_ENABLE est piloter par un microcontroleur, donc pour l'isolation galvanique utiliser un relais, c'est le plus simple à mon gout.

Tu as des drôles de gout !

IMOT_CMD est généré par U8-A, si la tension image du courant dépasse 3V (I = ~30A) alors on vient shunter les commandes des MOS, si cette surconsommation dure dans le temps et dépasse les 100 ms, alors on vient couper l'alimentation 48V du circuit via Q24.

Pour le moment, tes problèmes de surintensité , tu laisses tomber. Il sert à rien de s'en occuper car ton pont H fonctionne absolument pas

Plutôt que de critiquer mes remarques, tente de les comprendre ! Si je te dis que Q24 explose, que la tension drain de Q1 et Q3 est inférieure à 12V .... c'est que j'ai des bons motifs de le faire .
C'est à toi de modifier le schéma pour corriger ces erreurs fatales. On s'occupera des autres ensuite.

[invite9952029f]

Les Gates plutôt non ?
Je parle des drains (pour le moment)

En effet, j'ai refait une simulation vite fait, mon moteur n'a pas 48V comme prévu mais plutôt 7-10V à ses bornes... et lorsque je joue sur la tension de commande sur la gate du MOS, la tension aux bornes du moteur varie également. Il me faudrait du 48V sur la gate pour pouvoir piloter mon moteur correctement ?

Comment je peux faire pour régler ce soucis ? Un driver pour MOS type IR2110 ?

c'est quand tu tentes de mettre Q24 passant qu'il explose

j'essais de comprendre, mais je ne vois pas ce qui peut poser problème, l'appel de courant lors de la mise en mode passant ?

- Pourquoi deux photocoupleurs en cascade U16 et U1 et un montage qui ne marche pas ?

La, oui, ce n'est pas terrible, je vais mettre le collecteur de U16 sur la cathode de la LED, comme ca je piloterais directement la LED et non plus la tension sur son anode.

Je vais reprendre à zéro je pense...

[invitee05a3fcc]

En effet, j'ai refait une simulation vite fait, mon moteur n'a pas 48V comme prévu mais plutôt 7-10V à ses bornes...

Tu vois que j'avais raison .....

et lorsque je joue sur la tension de commande sur la gate du MOS, la tension aux bornes du moteur varie également. Il me faudrait du 48V sur la gate pour pouvoir piloter mon moteur correctement ?

Il faudrait partir de 48+10=58v

Comment je peux faire pour régler ce soucis ? Un driver pour MOS type IR2110 ?

Tu remplaces Q24 par un court-circuit et tu laisse tomber ta protection en surintensité (BIS).

j'essais de comprendre, mais je ne vois pas ce qui peut poser problème, l'appel de courant lors de la mise en mode passant ?

Q24 est en suiveur. Donc la tension source, c'est la tension grille moins quelques volts. Donc Q14 n'est JAMAIS en mode de conduction totale et il dissipe un max de puissance et explose

La, oui, ce n'est pas terrible, je vais mettre le collecteur de U16 sur la cathode de la LED, comme ca je piloterais directement la LED et non plus la tension sur son anode.

Tu laisses tomber tes optocoupleurs ....

Je vais reprendre à zéro je pense...

Bonne décision !

[invite9952029f]

Il faudrait partir de 48+10=58v

Donc produire du 58V, mais ca ne va pas poser problème vis à vis du Vgs max = 20 V ? du moins pas pour les NMOS du "haut", vu que 58-48V = 10V, on est bon, mais pour ceux du "bas", qui relie le "-" du moteur à la masse, car on aura 58V en tension Vgs, a moins que j'ai loupé quelque chose ?

Tu remplaces Q24 par un court-circuit et tu laisse tomber ta protection en surintensité

D'accord, donc le 48V en direct sur les drains des NMOS Q1 et Q3 ?

[invitee05a3fcc]

Donc produire du 58V, mais ca ne va pas poser problème vis à vis du Vgs max = 20 V ? du moins pas pour les NMOS du "haut", vu que 58-48V = 10V, on est bon,

Oui, mais il faut une tension grille de 0/10V par rapport à la source . Or la source est à une tension variable entre 0 et 48V . Je te laisse réfléchir.

mais pour ceux du "bas", qui relie le "-" du moteur à la masse, car on aura 58V en tension Vgs, a moins que j'ai loupé quelque chose ?

Ben oui. Q2 et Q4 fonctionne en source commune. Donc une tension de 0/10V est OK . Je te laisse réfléchir.

D'accord, donc le 48V en direct sur les drains des NMOS Q1 et Q3 ?

Ben oui

[invitee05a3fcc]

Y a des trucs intéressants : https://www.infineon.com/dgdl/an-978...53559f7cf21200

[invite9952029f]

D'accord, du coup avec 58V pour la commande des MOS Q1 Q3, c'est OK, et comme la source des MOS Q2 Q4 est de 0V, on peut mettre 10V en commande.

Maintenant, est ce que ce ne serais pas plus simple que j'utilise des drivers de MOS type IR2112 ? (datasheet : https://www.infineon.com/dgdl/ir2112...5355c81cb71685) Bien que je n'en ai jamais utilisé auparavant.

Car pour gérer le dead time, a part utiliser une petite tempo (reseau RC de quelques millisecondes) entre les deux commandes des MOS Q1 et Q2 par exemple, je ne vois pas comment faire...

Je vais regarder le document que tu as partager

[invitee05a3fcc]

Maintenant, est ce que ce ne serais pas plus simple que j'utilise des drivers de MOS type IR2112 ?

... ben oui !

Car pour gérer le dead time, a part utiliser une petite tempo (reseau RC de quelques millisecondes) entre les deux commandes des MOS Q1 et Q2 par exemple, je ne vois pas comment faire...

je ne connais pas ton moteur ni ce que tu veux en faire,

- Tu mets ON Q2 et tu PWM Q4, il tourne dans un sens
- Tu mets ON Q3 et tu PWM Q1, il tourne dans l'autre sens
NB : Tu n'as pas le droit d'utiliser un PWM à 0% , ni à 100%

[invite9952029f]

Ok, donc je prend un IR2112 pour gérer les MOS.

je ne connais pas ton moteur ni ce que tu veux en faire,

C'est un moteur qui va venir piloter un robot, donc deux moteurs sont nécessaires, chacun piloté par un pont en H indépendant.

NB : Tu n'as pas le droit d'utiliser un PWM à 0% , ni à 100%

Il y a surement une chose qui m'échappe ici, pourquoi je ne peux pas ? C'est pour la pompe à courant du driver que ca pose soucis ?

Ensuite, dans le datashet du driver, je trouve ca :

- Comme le driver pilote un demi pont, le MOS HighSide et LowSide ne devrait pas être connecté entre eux ?

- De même, je ne comprend pas vraiment toutes les alimentations que je dois lui fournir, par exemple, on a vu qu'il me fallait du 58V pour commander les MOS HighSide, Si je lui fourni du 48V au driver, il peut se débrouiller seul pour générer le 58V ?

Je suis un peu paumé dans la liste des signaux à lui fournir :

VB High Side Floating Supply Voltage
VS High Side Floating Supply Offset Voltage
VCC Low Side Fixed Supply Voltage
VDD Logic Supply Voltage
VSS Logic Supply Offset Voltage
VIN Logic Input Voltage

[invitee05a3fcc]

Il y a surement une chose qui m'échappe ici, pourquoi je ne peux pas ? C'est pour la pompe à courant du driver que ca pose soucis ?

Oui, pour la pompe de charge

- Comme le driver pilote un demi pont, le MOS HighSide et LowSide ne devrait pas être connecté entre eux ?

Source du haut réunie à drain du bas et au moteur

Si je lui fourni du 48V au driver, il peut se débrouiller seul pour générer le 58V ?

48V+ pompe de charge=58V (si PWM >0% et <100%)

VB High Side Floating Supply Voltage alimenté par la pompe charge
VS High Side Floating Supply Offset Voltage relié au point milieu du demi-pont
VCC Low Side Fixed Supply Voltage 12V DC
VDD Logic Supply Voltage Tension d'alimentation de la logique (3,3V ? 5V ?)
VSS Logic Supply Offset Voltage 0V
VIN Logic Input Voltage Signal d'entrée
Le IR2301 est mieux spécifié en niveau logique d'entrée

petit aparté :
Tu n'as jamais fait un pont en H et tu te lances dans le pilotage d'un moteur de 1400W . Tu es optimiste !

C'est comme si le Père Daudet annonçait que, demain, il fait un Marathon et sans aucun entrainement !
Tu as intérêt à avoir deux caisses :
- une pour les NMOS neufs
- une pour les NMOS explosés
Car il va y avoir de la casse.

[invite9952029f]

Donc les seules alimentations que je dois lui fournir sont :

+ 12VDC pour VCC
+ 5VDC pour VDD
0V pour Vss

Il n'y a pas de 48V à fournir à la pompe de charge ? Si j'ai bien compris, elle va créer le 58V à partir du +12V que l'on fournit sur Vcc ?

Tu n'as jamais fait un pont en H et tu te lances dans le pilotage d'un moteur de 1400W .

En fait, si j'en ai déjà fait un, mais pour piloter des petits moteurs 12V 5A max. Je me doute bien que ca ne va peut être pas fonctionner du premier coup vu les puissances en jeu ...

Je refais un schéma ce soir pour voir ce que cela donne

[invite9952029f]

Voila, j'ai retiré toute la chaine de controle du courant, et remplacé la logique de commande par les drivers de moteur :



La commande Shutdown, je la laisse sur la masse ?

Normalement c'est bon non ?

[invitee05a3fcc]

La commande Shutdown, je la laisse sur la masse ?

Oui en fonctionnement normal. Ca peut servir pour couper le jus en cas de surintensité.

Les diodes D28 et D29 doivent être "fast"

Y a quoi de branché sur J7 ? un shunt ?

[invite9952029f]

Y a quoi de branché sur J7 ? un shunt ?

Oui, tout à fait, 0.1 ohm, pour avoir une image du courant divisée par 10.

Oui en fonctionnement normal. Ca peut servir pour couper le jus en cas de surintensité.

Donc je pourrais remettre une partie de mon montage de protection et brancher la commande de shutdown dessus ?

Les diodes D28 et D29 doivent être "fast"

Je pensais utiliser une SF28 et pour le condensateur un céramique 1uF 200V.