Silnik BLDC: Sterownik - dobieranie tranzystorów MOSFET

Autor: Dondu

Artykuł z cyklu: Silnik BLDC: Spis treści

W poprzednim artykule dowiedziałeś się, co to są klucze i do czego będą służyły. Dowiedziałeś się także, że kluczami mogą być tranzystory unipolarne.

Pierwszy układ wykonawczy sterownika wykonamy na tranzystorach unipolarnych MOSFET. To wymarzone tranzystory do przełączania dużych prądów z dużymi częstotliwościami, co będzie nam bardzo potrzebne.

Zanim przystąpisz do czytania tego artykułu powinieneś znać poprzednie z tego cyklu.

Ponieważ mamy tutaj do czynienia z elementem indukcyjnym (silnik), który będziemy sterować sygnałem PWM, stąd powinieneś także przeczytać ten artykuł oraz MOSFET w trybie PWM.


Na co powinniśmy zwrócić uwagę wybierając tranzystory MOSFET pracujące jako klucze z dużą częstotliwością?

Najważniejszymi (z naszego punktu widzenia) parametrami są:

1. napięcie dren-źródło,
2. prąd drenu,
3. rezystancja dren-źródło,
4. pojemność bramki,
5. napięcie przełączenia.

No tak, ale żeby dobrać tranzystory, trzeba znać parametry silnika, a wyjęte z dysków silniki (przynajmniej moje), nie zawierają żadnych informacji - nawet typu i producenta.

Co więc zrobimy?

• zmierzymy rezystancję uzwojeń, 
• będziemy posiłkować się oryginalną płytką PCB sterującą dyskiem i zawartymi na niej elementami sterującymi silnikami. 

Ponieważ będziemy podglądać rozwiązania producentów dwóch dysków, których silniki wykorzystuję w tym cyklu artykułów, podam więc niezbędne informacje:

Rezystancja uzwojeń moich silników jest następująca:

• silnik A - 6Ω
• silnik B - 5,2Ω

Silniki sterowane były:

• silnik A - przez scalony sterownik HA13471,
• silnik B - przez tranzystory IRFR9020 (kanał P) oraz IRFR120N (kanał N). 

---

1. Napięcie dren-źródło

Zarówno silnik A jak i B, były zasilane napięciem 12V. Jak to ustaliłem?

Po pierwsze dysk twardy zasilany był standardowo za pomocą napięć 5V (część cyfrowa) i 12V (silnik jak sądzę). Ale to za mało, by stwierdzić z całą stanowczością, że silnik jest zasilany 12V.

Posłużyłem się więc dokumentacją elementów sterujących.

Silnik A

W sterowniku silnika A znajdziemy wzmiankę, iż napięcie pracy sterownika HA13471 wynosi 12V ±15%:

Nie oznacza to jednak, że tranzystory na wyjściach faz sterownika HA13471 mają maksymalne napięcie pracy na poziomie 13,8V. Na pewno mają znacznie wyższe, tylko nie ma na ten temat informacji w datasheet. W takim przypadku spokojnie przyjmujemy 13,8V jako napięcie bezpieczne i zarazem maksymalne.

Czyli mamy potwierdzenie, że silnik A był zasilany z 12V.


Silnik B

W przypadku silnika B, badając PCB multimetrem, znalazłem ścieżki doprowadzające napięcie 12V (bezpośrednio z gniazda zasilacza) do tranzystorów będących kluczami górnymi. Czyli ten silnik także był zasilany 12V.

Tranzystory powinniśmy jednak dobrać z bezpiecznym zapasem. Bezpiecznym zapasem, czyli jakim?

Przekonajmy się jak postąpił producent dysku z silnikiem B. W tym celu odnajdziemy parametry dot. napięć maksymalnych pracy tranzystorów nim sterujących.

Jakie oznaczenia ma ten parametr w datasheet tranzystorów?
Powinieneś szukać maksymalnego napięcia dren-źródło, czyli: Drain-Source Voltage (VDS)

Tranzystor dolny IRFR120N:

Zdziwić Ciebie może fakt, iż napięcie to jest podane w tabelce jako minimalne i nie zawiera wartości maksymalnej, chociaż właśnie takiej szukaliśmy. Czy oznacza to, że ten tranzystor może sterować napięciami od 100V do nieskończoności?

Oczywiście nie! :-)
Kluczem do zrozumienia jest czerwone słowo: Drain to Source Breakdown Voltage.

Jeżeli tak właśnie nazywa się ten parametr, to oznacza on minimalne napięcie pomiędzy drenem i źródłem, przy którym tracisz kontrolę nad tranzystorem, gdyż zaczyna on przewodzić niezależnie od stanu bramki, co w konsekwencji może doprowadzić do uszkodzenia tranzystora.

Innymi słowy tym tranzystorem nie wolno sterować napięć większych niż 100V.

Tranzystor górny IRFR9020:

Tutaj także podany jest parametr, którego nie wolno przekroczyć, czyli -50V. Dlaczego minus?
Ponieważ prąd w tranzystorze z kanałem P płynie w przeciwnym kierunku, niż w tranzystorze z kanałem N. Tutaj podobnie jak w poprzednim tranzystorze mamy słowo Breakdown, a Ty już wiesz co ono oznacza.


Podsumowanie

Należy zauważyć, że producent dysku wybrał tranzystory, które przy zasilaniu silnika dysku napięciem 12V, mają margines bezpieczeństwa na poziomie:

margines bezpieczeństwa = 50V : 12V ≈ 400% 

Warto brać przykład z producenta i dobrać tranzystory ze zbliżonym marginesem bezpieczeństwa, czyli w pobliżu 50V.

---

2. Prąd drenu

Silniki mogą pobierać duży prąd zwłaszcza w momencie rozruchu. Dlatego też ten parametr jest dla nas bardzo istotny. Jak dobrać parametr prądu przewodzenia tranzystora nie znając parametrów silnika?

Czy aby na pewno nie wiemy niczego o silniku?


Silnik A

Pisząc poprzedni artykuł zmierzyłem rezystancję uzwojeń silnika A, która wynosi 6Ω. Skoro silnik był zasilany (i tak samo zasilany będzie przez nas) napięciem 12V, to licząc z prawa Ohm'a, otrzymujemy wartość maksymalnego prąd pobieranego przez ten silnik:

I = 12V : 6Ω = 2A

Na wszelki wypadek rzućmy okiem na  sterownik silnika zamontowany na oryginalnej płytce drukowanej tego dysku. W tabelce Absolute Maximum Ratings znajdziemy parametr, którego nie mógł przekroczyć silnik korzystając z tego sterownika:

Mamy więc informację, iż prąd wyjściowy nie może przekroczyć 2A. Jest to dla nas potwierdzenie faktu, że ten silnik nie przekroczy tej wartości. Niestety nie ma w datasheet informacji o prądzie szczytowym (trwającym krótką chwilę) jaki toleruje ten sterownik.

Czy to oznacza, że konstrukcja tego silnika wyklucza pobieranie prądu większego niż 2A? To sprawdzimy w praktyce w dalszych częściach tego cyklu artykułów, mierząc prąd pobierany przez ten silnik.

Należy tutaj zaznaczyć, że ten sterownik posiada opcję ustawiania Current Limiter'a, czyli ogranicznika prądu, stąd dba o bezpieczeństwo swoich kluczy przełączających fazy. W naszym przypadku także opracujemy taką funkcjonalność.

Wracając do wyboru naszych tranzystorów dla silnika A, mamy już ustalony drugi parametr, czyli prąd przewodzenia i ma on mieć wartość, co najmniej 2A.


Silnik B

W silniku B rezystancja uzwojeń miała wartość 5,2Ω, a silnik zasilany był z 12V, stąd pobiera on maksymalnie:

I = 12V : 5,2Ω ≈ 2,3A

czyli nieco więcej niż silnik A.

Zerknijmy na parametry tranzystorów, które użył producent dysku. Jakiego parametru będziemy szukać?
Parametrem tym jest ciągły prąd drenu: Continuous Drain Current (ID)

Tranzystor dolny IRFR120N:

W powyższej tabelce możesz zobaczyć, że producent dysku z silnikiem B zastosował jako tranzystory dolne takie tranzystory, które znacznie przekraczały wartość prądu pobieranego przez silnik. Margines bezpieczeństwa dla temperatury 25°C wynosił:

margines bezpieczeństwa = 9,4A : 2,3A ≈ 400% 

Tranzystor górny IRFR9020:

Po analizie tabeli zauważysz, że prądy możliwe do sterowania tym tranzystorem, są praktycznie takie same jak tranzystora IRFR120N. W związku z tym margines bezpieczeństwa także jest na poziomie 400%.

Przy okazji analizy powyższych dwóch tabel, należy zwróć uwagę na fakt, iż możliwy do uzyskania prąd przewodzenia tranzystora jest bardzo silnie związany z jego temperaturą. Gdy temperatura MOSFET'a rośnie zmniejsza się maksymalny możliwy do bezpiecznego uzyskania prąd drenu.

Wniosek z tego taki, że:

Należy dbać o to, by tranzystor MOSFET pracujący jako klucz z dużą częstotliwością, nie grzał się.

Jak to zrobić? Radiator + wentylator?
W skrajnych przypadkach tak, ale ważniejsze jest coś zupełnie innego, o czym pisał janbernat tutaj.



Podsumowanie

Producent dysku z silnikiem B zastosował bardzo duży margines bezpieczeństwa (400%) dla zastosowanych tranzystorów MOSFET i warto go w tym zakresie naśladować.

Dodatkowo z powyższych tabelek warto zanotować, że tranzystory te zapewniają także bardzo duży prąd szczytowy (chwilowy): Pulsed Drain Current IDM (38A w przypadku IRFR120N oraz -40A w przypadku IRFR9020).

---

3. Rezystancja dren-źródło

Powyżej ustaliliśmy sprawy dot. parametru prądu drenu, ale żeby nie było tak różowo, musimy wziąć pod uwagę jeszcze parametr mówiący o rezystancji tranzystora (pomiędzy drenem i źródłem) w momencie, gdy przewodzi prąd (jest włączony).

Parametrem tym jest: Static Drain−Source On−Resistance ( RDS(on) )

W zależności od tranzystora parametr ten może mieć wartości począwszy od setek µΩ do setek Ω.
Jaki to może mieć wpływ na nasz sterownik? Kolosalny!!!

Rozważmy przykład tranzystorów z rodziny: STFW4N150, STP4N150, STW4N150
W dokumentacji znajdziemy informację, że ma ten parametr może sięgnąć nawet 7Ω:

Dlaczego to tak istotne dla naszego sterownika silnika BLDC?
Wracamy do artykułu o kluczach przełączających i naniesiemy na niego wartości rezystancji poszczególnych elementów. Dla uproszczenia przyjmę, że zarówno górny jak i dolny tranzystor mają taką samą wartość parametru RDS jak powyższy tranzystor:

Czy widzisz problem?

Policzmy jaki prąd faktycznie będzie płynął przez uzwojenia silnika A:

No i gdzie te nasze 2A?
Ponieśliśmy straty na rezystancjach dren-źródło tranzystorów.

Dla zobrazowania policzmy jakie napięcie faktycznie dostarczamy do uzwojenia silnika A:

U = 0,6A • 6Ω = 3,6V

A miało być blisko 12V :-)

Sprawdźmy w takim układzie jak to wygląda z tranzystorami, których użył producent dysku z silnikiem B:

Tranzystor dolny IRFR120N:

Tranzystor górny IRFR9020:

Policzymy więc najgorszy przypadek dla silnika B, czyli:

O! I są nasze 2A :-)

Jak widzisz dobranie niskiej wartości parametru RDS(ON) jest bardzo istotne, dla możliwości uzyskania dużego prądu sterującego silnikiem.

Na koniec sprawdźmy, jakie napięcie będzie odkładać się na uzwojeniach silnika:

U = 2,1A • 5,2Ω = 10,92V

Podsumowanie

Teraz już wiesz, że należy dobrać tranzystory (górny i dolny) z jak najmniejszą wartością tego parametru. Oczywiście jak ze wszystkim nie należy przesadzać i patrzeć także na cenę tranzystorów, gdyż dla bardzo niskich wartości tego parametru, tranzystory mogą okazać się dość drogie. Jak zwykle więc stosujemy kompromis.

---

4. Pojemność bramki

To także ważny z naszego punktu widzenia parametr. Pojemność bramki omówił janbernat w swoim artykule: MOSFET w trybie PWM. Znając już ten artykuł oraz wiedząc, że docelowo będziemy sterować prędkością tego silnika za pomocą sygnału PWM, musimy zwrócić uwagę na pojemność bramek tranzystorów, które wybierzemy.

Od tego parametru zależy bowiem:

• czy PWM będzie działał z dobrym skutkiem pozwalając na szeroki zakres sterowania przy dużej jego częstotliwości, czy też nie,
• jak bardzo skomplikowany układ sterownika tranzystorów MOSFET trzeba będzie zastosować.

Jak dobierać? To akurat jest proste:

Wybieramy tranzystory z możliwie najmniejszą pojemnością bramki.

Wtedy mamy możliwość:

• uproszczenia części sterującej MOSFET'em przy jednoczesnym zachowaniu prawidłowego działania PWM w szerokim zakresie jego częstotliwości, 
• możliwość osiągania dużych prędkości obrotowych silnika.

Jaka więc praktycznie powinna być ta pojemność? Tutaj posiłkować się będziemy silnikiem B, gdyż tylko on był sterowany za pomocą wyżej podanych tranzystorów.


Gate Charge

Zanim jednak zaglądniemy do datasheet, powinieneś wiedzieć, że producenci tranzystorów zamiast  pojemności wejściowej tranzystora (ang. Input Capacitance) lub dodatkowo, podają parametr zwany Gate Charge. Ten parametr ułatwia porównanie tranzystorów różnych producentów uwzględniając w sobie inne niewymienione w datasheet właściwości danego tranzystora, a które wpływają na jego czas przełączania.

Ten parametr pośrednio odpowiada parametrowi pojemności wejściowej tranzystora i będzie jednym z najważniejszych przy projektowaniu układu sterownika.

Zaglądamy do datasheet'ów w poszukiwaniu parametru Gate Charge.

Tranzystor górny IRFR9020:

Tranzystor dolny IRFR120N:

Sposób wykorzystania tego parametru poznasz w artykule dot. schematu sterownika. Na razie powinieneś wiedzieć, że im mniejsza jest wartość tego parametru, tym lepiej dla nas.

---

5. Napięcie przełączenia

Ten parametr określa moment, w którym następuje proces włączenia lub wyłączenia tranzystora MOSFET.

W zależności od wartości tego parametru oraz wartości napięć sterujących bramką tranzystora zależy jak powinien wyglądać schemat sterownika pomiędzy wyjściem mikrokontrolera, a bramką tranzystora MOSFET. W tym zakresie różnych rozwiązań są dziesiątki, a może nawet setki, ale my zajmiemy się tylko jednym z nich.

Tranzystory MOSFET produkowane są w wersjach gdzie parametr ten jest zawarty w przedziałach zbliżonych do:

• 2-4V (standard),
• 1-2V (tzw. Logic Level lub Logic Compatible).

Nasz pierwszy sterownik oparty będzie o tranzystory ze standardowym zakresem tego parametru.

Dla porządku zaglądnijmy do dokumentacji dwóch tranzystorów sterujących silnikiem B.

Tranzystor górny IRFR9020:

Tranzystor dolny IRFR120N:

---

Podsumowanie

Wybierając tranzystory do budowy sterownika silników BLDC, powinieneś wziąć pod uwagę szereg parametrów. Im parametry te są lepsze, tym lepsze osiągi będzie mieć będzie sterownik, większą bezawaryjność oraz prostszą konstrukcję. Jednakże lepsze parametry oznaczają także większą cenę.  Dlatego należy wybrać świadomy lub wymuszony kompromis.

Na pewno nie działaj na małych współczynnikach marginesów bezpieczeństwa. To się po prostu nie opłaca, ponieważ może się skończyć obłoczkiem dymu.


W następnym artykule zaprojektujemy schemat sterownika.

Artykuł z cyklu: Silnik BLDC: Spis treści