Aide choix Mosfet N pour PWM sur moteur 200W

[Seb.26]

Bonjour,

je cherche à piloter un moteur à balais de 200w dans un seul sens de marche, je pensais donc à un truc genre : uCPU -> PWM -> -> MOSFET canal-N -> Moteur+diode -> GND

Mais je sais pas quoi choisir comme MOSFET, les caractéristiques du moteur :

• tension nominale = 48v
• courant à vide = 90mA
• courant nominal = 5A
• courant de décrochage = 79A ( wow ! )
• rendement = 90% max

L'idée étant de pouvoir faire varier la vitesse de rotation.

Par contre, je ne sais pas comment choisir le MOSFET ?! ... quelles sont les caractéristiques à regarder ?
Je pensais chercher :

• Vds = tension max = 48v * 2 = 100v minimum
• Id = courant max = 5A * 2 = 10A minimum
• Rds(on) = le plus petit possible !

Si j'ai bien compris, plus le Rds(on) est grand plus ça chauffe pour un même courant ?

Merci de vos lumières.
Seb.
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[jiherve]

bonjour
en effet il faut choisir le RDson minimum .
celui là pourrait aller :https://www.vishay.com/docs/91300/sihl540.pdf
marge de deux en tension et 5 en courant.
Il faudra néanmoins faire une commande correcte.
mais il existe d'autres possibilités
JR

[Seb.26]

Merci de ta réponse,
pour la commande, je suis entre temps tombé sur un conseil de M.Daudet (à propos d'un MOSFET-N justement) que je comptes bien appliquer :

Un conseil , tu mets un driver de NMOS (genre TC4420 ou autres)

Donc ça me donnerait plutôt :

• Vds = 100v minimum
• Id = 25A minimum
• Rds(on) = toujours le plus petit possible !

[Seb.26]

PS: et pour la diode de roue libre sur le moteur, une idée de valeurs à chercher ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[bobflux]

Si tu PWM à une fréquence relativement basse, c'est avantageux de ne pas commuter le MOS le plus vite possible. Une commutation "soft" réduit l'émission de parasites. Donc tu n'as pas forcément besoin de driver. Il faut d'abord voir de quel courant la grille du MOSFET aura besoin, et si tu choisis un MOSFET qui se commande en 5V ou en 10V, avant de choisir comment tu vas le commander.

> courant de décrochage = 79A

Il faut aussi que tu décides si tu mets un dispositif pour stopper le moteur si il bloque et consomme ce courant. L'alim est-elle une batterie ? Ou bien une alim 48V qui offre déjà une limitation de courant ?

[Seb.26]

Si tu PWM à une fréquence relativement basse, c'est avantageux de ne pas commuter le MOS le plus vite possible. Une commutation "soft" réduit l'émission de parasites. Donc tu n'as pas forcément besoin de driver. Il faut d'abord voir de quel courant la grille du MOSFET aura besoin, et si tu choisis un MOSFET qui se commande en 5V ou en 10V, avant de choisir comment tu vas le commander.

Yep, l'AN905 chez micrpochip parle d'une fréquence entre 4khz et 20khz ... ça te semble bon ?

> courant de décrochage = 79A
Il faut aussi que tu décides si tu mets un dispositif pour stopper le moteur si il bloque et consomme ce courant. L'alim est-elle une batterie ? Ou bien une alim 48V qui offre déjà une limitation de courant ?

C'est une alim AC/DC 48v 10A sur secteur, donc avec tout ce qui va bien normalement ...

[bobflux]

> C'est une alim AC/DC 48v 10A sur secteur, donc avec tout ce qui va bien normalement

OK, si elle se met en sécurité au démarrage il faudra augmenter progressivement le PWM (courant de démarrage du moteur énorme).

> Yep, l'AN905 chez micrpochip parle d'une fréquence entre 4khz et 20khz ... ça te semble bon ?

Très bien. 25kHz c'est inaudible, 4kHz ça risque de siffler un peu, faut voir si ça s'entend ou si c'est gênant par rapport au bruit du moteur...

Avec un FET de 70mOhm les pertes par conduction sont R I^2 = 1.75W pour 5A

Mettons f=10kHz, avec un temps de commutation T les pertes de commutation sont en gros U * I * f * T

Donc 48V * 5A * 10kHz * 1µs = 2.4W

On peut décider que c'est un peu trop et commuter plus vite mais pas trop, mettons T=300ns, à ce moment là on aura 0.72W de pertes par commutation. C'est à toi de choisir, tu peux aussi commuter en 20ns avec un driver bien musclé mais alors tu auras des di/dt très élevés qui transforment le truc en brouilleur radio large bande...

Donc si nous avons un temps de commutation de 300ns, et un MOSFET avec une charge de grille Qg de, disons 50-100nC (comme celui de jhervé avec de la marge), ça nous fait un courant dans la grille moyen durant la commutation de 100nC / 300ns = 0.33 A et il nous faut donc un driver de MOS, car une porte logique ne donnera pas autant de courant. Donc on prend un driver et on mettra une résistance pour pas que ça commute trop vite non plus .

[Seb.26]

Ok ... OK ... OK ... Je crois avoir "en gros" compris l'idée

-> Plus on commute rapidement, plus vite on arrive au RDSon, donc on a moins de chaleur (puisque RDS va de +∞ à RDSon plus rapidement ), mais on augmente le di/dt puisqu'on charge Ciss plus vite.
-> Et lycée de Versailles ...

Merci bien pour toutes ces infos

Je posterais mon schéma quand j'aurais un peu avancé.

[Seb.26]

Bonjour à tous,
après une grosse pause, j'ai de nouveau un peu de temps pour mon petit projet ... ... suite à vos conseils, j'ai pondu ce premier schéma :



Le PWM sera une sortie 5v d'un uCPU, la fréquence sera à définir en fonction du résultat (mais très probablement entre 4 et 25 kHz)

Par contre, il me reste à déterminer la résistance D1 ??

Merci pour votre aide.

@+

La partie uCPU arrivera plus tard, je commence par ce qui est 'compliqué' ...

[antek]

Par contre, il me reste à déterminer la résistance D1 ??

Là ça va être compliqué
Que dit la datasheet du TC4220 (je suppose que c'est un driver) ?

[Seb.26]

D'autant plus compliqué que c'est pas une résistance 'D1' ... my bad ...
Sinon : ??! J'ai pas compris la question ...

[gcortex]

diode rapide MUR1520 pas chère !

[antek]

Sinon : ??! J'ai pas compris la question ...

Au cas où ta recherche aurait concerné la diode R1 . . .

[Seb.26]

donc pour la diode de roue libre, plutôt une MUR1520 ... OK, c'est noté.
Et pour la résistance, une idée de valeur ??
Merci.

[Antoane]

Bonjour,

Pour choisir la diode, il faut :
- un composant rapide, pour limiter les pertes par commutation (cf. figure C5 : https://www.analog.com/media/en/tech...tes/an25fa.pdf ) - ou, mieux, une schottky, qui n'a pas de charge stockée ;
- un composant tenant la tension d'alimentation - avec de la marge pour les oscillations ;
- un composant tenant le courant de fonctionnement du moteur.
Par ailleurs, tu voudras une tension de seuil faible de manière à limiter les pertes par conduction. Il faudra également choisir un composant avec un boitier capable de dissiper la puissance perdue (qui sera loin d'être négligeable).

Une bonne approximation de la puissance dissipée dans la diode vaut : V_f(I_f) * I_f * (1-a), où I_f est le courant circulant dans le moteur, V_f est la tension directe lorsque le courant vaut I_f, et a est le rapport cyclique du signal de commande du mosfet (a=1 lorsque le moteur tourne à fond).

Choisir une diode schottky de 80 ou 100 V me semble le plus raisonnable.

Pense également au routage : la diode, le transistor de découpage, et le condensateur de découplage du bus constituent une cellule de commutation devant être câblée avec une inductance minimale.

[Antoane]

Le choix de la résistance de grille résulte d'un compromis pas évident à optimiser - surtout sans équipement de test ad hoc et cahier des charges précis...
Tu peux jeter un oeil à : https://forums.futura-sciences.com/e...es-simple.html

Avec un PWM à relativement basse fréquence, à la louche, une valeur de l'ordre de 22 à 100 Ohm semble raisonnable (cf. le message de Bobflux).
Pour des commutations plus rapides, on pourrait fortement abaisser cette résistance, jusquà qq Ohm - mais avec des problèmes de CEM et de surtension au blocage accrus.

[Seb.26]

Merci, pour la diode, je vais donc chercher une autre ref.
Pour la résistance, en effet je suis pas super équipé, mon top du hi-tech c'est un oscillo USB qui a 10ans ...
Merci pour vos postes, je mets à jour tout ça et j'ajoute un peu de la partie uCPU que j'ai commencé aussi (mais là je sais où je vais)

[bobflux]

Au fait, t'es pas obligé de mettre un IRL540 avec une RdsON de 77 mOhms... puisque on est à une fréquence relativement basse (25kHz, pas 500kHz) tu peux mettre un MOSFET plus gros qui aura une RdsON plus faible et un Qg plus élevé. Pour garder le même temps de commutation (disons 300ns) il faudra un courant plus important au niveau de la grille, pour compenser le Qg plus élevé, donc ajuster la résistance de grille. À temps de commutation identique, les pertes par commutation sont les mêmes... par contre réduire la RdsON réduit les pertes par conduction (R I^2).

Exemple STP80N10F7 STP30N10F7 etc

[Seb.26]

Pour la diode, j'ai trouvé ça :

WNS30H100CBJ - Redresseur Schottky, 100 V, 15 A, Double cathode commune, TO-263, 3 Broche(s)

https://fr.farnell.com/ween-semicond...-to/dp/2902404
Mais c'est un monstre, non ???

NB: c'est une double, je pensais câbler les 2 en parallèle ? ... idiotie ?

Et pour le N-MOSFET, ceci :

IPB083N10N3GATMA1 - Transistor MOSFET, Canal N, 80 A, 100 V, 0.0072 ohm, 10 V, 2.7 V

https://fr.farnell.com/infineon/ipb0...mos/dp/2443432

ça vous semble bon ? ...

Merci, @+

[gcortex]

Eviter les diodes en parallèle.
Une diode rapide c'est moins bien, mais çà marche aussi, avec une fréquence plus basse.

[Seb.26]

Eviter les diodes en parallèle.
Une diode rapide c'est moins bien, mais çà marche aussi, avec une fréquence plus basse.

OK, alors je vais chercher un modèle simple ... merci

[Antoane]

Bonjour,

La diode silicium, vs. la schottky à pour inconvénient principal d'avoir une chute de tension plus importante : parce que c'est une diode PiN plutôt qu'une schottky, et en plus parce qu'elle est rapide.
Mettre les deux éléments de la diode en parallèle ne pose pas de problème :
- le couplage thermique entre les puces est relativement important ;
- les puces proviennent généralement d'un même lot de fabrication (il est même possible que ces composants intègrent une unique puce, je ne sais pas), d'où des dispersions limitées ;
ce qui empêche un "trop fort" déséquilibre entre les courants.
Si mettre deux-demis composants de 15 A ne fait pas une diode de 30 A, ce n'est pas loin d'être le cas.
Il n'est cependant pas conseillé de câbler directement en parallèle des diodes discrètes packagées dans deux boitiers différents.

Cependant, si une diode suffit, alors en mettre plusieurs en parallèle (composants discrets ou dans un même boitier) ne fait pas de mall - au contraire.

Et pour le N-MOSFET, ceci :
IPB083N10N3GATMA1 - Transistor MOSFET, Canal N, 80 A, 100 V, 0.0072 ohm, 10 V, 2.7 V
https://fr.farnell.com/infineon/ipb0...mos/dp/2443432

Il me parait convenir, c'est une belle bête

[gcortex]

çà dépend si le coefficient de température est positif ou négatif.

[Antoane]

Bonjour,

C'est une condition nécessaire mais pas suffisante, il faut prendre en compte les caractéristiques du refroidisseur.

Voir par exemple la section 7.1 de l'HDR : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel...ument#page=114, et en particulier la fig. 7.1 : le composant est à tempco positif : dP/dT >0, mais seuls les points situés au-delà du point d'équilibre instable se soldent par un emballement thermique.
Une publication associée : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal...FETs_final.pdf, voir en particulier l'inset de la Fig. 7. Un JFET de puissance (dP/dT>0) dissipe une puissance donnée, causée par le passage d'un courant de 3.65 A. La température de l'assemblage étant stabilisée, la puissance est légèrement augmentée (le courant passant à 3.7 A), ce qui cause un emballement thermique.

[Seb.26]

Pour la diode, j'ai trouvé ceci :

FSV15100V - Redresseur Schottky, 100 V, 15 A, Une, TO-277, 3 Broche(s), 660 mV

http://www.farnell.com/datasheets/2552637.pdf
ça me semble pas mal.

[Antoane]

Elle a pas l'air mal.
Sous 5A, le Vf @100 °C est d'environ 0.45 V, soit une puissance dissipée de l'ordre de 1 W si le rapport cyclique est de ~50 %. Prévoir un routage permettant de limiter la résistance thermique (cf. figure 2 de la datasheet) pour limiter l'échauffement de la puce - sans pour autant trop augmenter les inductances parasites .

[Seb.26]

Elle a pas l'air mal.
Sous 5A, le Vf @100 °C est d'environ 0.45 V, soit une puissance dissipée de l'ordre de 1 W si le rapport cyclique est de ~50 %. Prévoir un routage permettant de limiter la résistance thermique (cf. figure 2 de la datasheet) pour limiter l'échauffement de la puce - sans pour autant trop augmenter les inductances parasites .

Ok, merci.
Je pensais mettre des vias sous la pin 3 et faire un bon radiateur sans vernis de l'autre coté du PCB, voir de coller un radiateur en alu sur la zone si besoin.

NB: c'est quoi F et S sur les schémas ?? ( Force et Sense )

[Antoane]

Je pensais mettre des vias sous la pin 3 et faire un bon radiateur sans vernis de l'autre coté du PCB, voir de coller un radiateur en alu sur la zone si besoin.

Ok.
Je ne sais pas si le la présence ou l'absence de vernie a un impact.

NB: c'est quoi F et S sur les schémas ?? ( Force et Sense )

C'est pour faire une mesure 4 fils : Le courant alimentant la diode circule par les pistes de FORCE. Du fait de la circulation de ce courant et la la résistance des pistes, la tension aux bornes de la diode n'est pas strictement égale à celle au bout des pistes. La tension aux bornes de la diodes est alors mesurée entre les fils de SENSE, sans être influencée par la résistance de ceux-ci - puisqu'aucun courant n'y circule.

[bobflux]

Si tu as un MOSFET en TO220 sur un petit dissipateur, tu peux mettre sur le même dissipateur une diode en TO220 aussi...

[Seb.26]

Bonjour à vous, me revoilà avec mon moteur ...

J'ai un peu fait évoluer mon projet : comme j'ai peu de temps mais que je veux avancer, je vais déjà faire une carte 'driver' pour le moteur et générer le signal PWM avec un GBF (un vieil oscillo USB avec 1 sortie), les trucs droles viendront après ...

Donc, ci dessous le schéma et le PCB v1.0

Evidemment je m'attends à ce qu'il y ai des erreurs/améliorations, soyez indulgent je viens du soft moi ... ...

Si ça intéresse quelqu'un je peux fournir les Gerber, pas de soucis.
J'attends vos avis avant de lancer une prod.

SCH_01.jpg

PCB_01.jpg
PCB_02.jpg
PCB_03.png

NB: je vais me retrouver avec 10 PCB et je n'en ai besoin que d'un (disons 2 pour être sûr), si y'a du monde que ça intéresse, c'est cadeau de noël !

[EDIT] j'ai oublié les datasheet :

TC4420EOA - Driver double alim, Low Side, 4.5V-18V Alim, 6A Out, 55ns Retard, SOIC-8 = http://www.farnell.com/datasheets/1685592.pdf
IPB083N10N3GATMA1 - Transistor MOSFET, Canal N, 80 A, 100 V, 0.0072 ohm, 10 V, 2.7 V = http://www.farnell.com/datasheets/1942427.pdf
FSV15100V - Redresseur Schottky, 100 V, 15 A, Une, TO-277, 3 Broche(s), 660 mV = http://www.farnell.com/datasheets/2552637.pdf