Бесколлекторная дрель на 12 В уходит в защиту: четыре ловушки при выборе MOSFET
В трёхфазном мосте дрели пусковой ток в 5–8 раз выше номинального, а при заклинивании у двигателя на 20 А он переваливает за 100 А. Разбор показывает, почему для платформы 12 В берут транзисторы на 30 В с сопротивлением 1,5 мОм и где теряются запасы по напряжению, защите, разводке и теплу.
Прежде чем выбирать транзисторы, разберём типичную бесколлекторную дрель на 12 В. Под корпусом силовая часть устроена почти одинаково у всех: сборка из трёх последовательных литиевых элементов (номинально 11,1 В, при полном заряде 12,6 В, обычно порядка 2 А·ч), специализированный микроконтроллер для двигателя и шесть силовых MOSFET, аккуратно прижатых к радиатору, — трёхфазный мост, по одному полумосту на фазу. Под радиатором лежит теплопроводящая подложка, а у хвостовика двигателя стоит центробежный вентилятор.
Именно эти шесть транзисторов и есть настоящее «сердце» дрели. В момент пуска через них идёт не тот ток, что указан в паспорте, а в 5–8 раз больше. У двигателя с номинальным током 20 А при заклинивании ток доходит до 100 А и выше. Выберешь правильно — инструмент получится крепким, долго работающим от аккумулятора и послушным в руке; ошибёшься — в лучшем случае он будет уходить в защиту сразу при включении, в худшем вскроешь корпус и обнаружишь разорванный транзистор.
Четыре трудности
Первая — ток при пуске и заклинивании. Сверло закусило в дереве, саморез дошёл до упора, а усилие ещё добавляют, в ударном режиме долбят бетон — двигатель мгновенно встаёт, и ток в 5–8 раз выше номинального тут обычное дело. Если транзистор выбран слабый, либо защита от перегрева будет срабатывать впустую, либо импульсный ток выйдет за предел и прибор просто выйдет из строя.
Вторая — выброс напряжения на шине. Между батареей и платой управления есть отрезок кабеля с немалой распределённой индуктивностью. В момент запирания транзистора индуктивность кабеля добавляет к напряжению выброс, и он часто оказывается больше, чем кажется на первый взгляд. В отрасли есть реальный случай: у угловой шлифмашины на платформе 60 В при полном заряде 63 В напряжение на шине при заклинивании подскакивало примерно до 85 В; сначала взяли транзисторы на 80 В, и в испытаниях на заклинивание они время от времени пробивались, а после перехода на 100 В всё прекратилось. На низковольтной платформе то же самое: удвоение выброса — вовсе не преувеличение.
Третья — крайне мало места для отвода тепла. Корпус инструмента на 12 В тесный, плата управления размером с ладонь, шесть силовых транзисторов стоят вплотную, да ещё приходится иметь дело с пылью, вибрацией и влагой. Чуть большее сопротивление открытого канала — и перегрев изделия уже не удержать, особенно летом при непрерывном сверлении.
Четвёртая — недостаточная скорость защиты. Чисто программная защита от заклинивания должна пройти всю цепочку «измерение преобразователем — расчёт — решение — выдача команды», а это в лучшем случае миллисекунды, тогда как аппаратное запирание укладывается в микросекунды. При токе заклинивания в сотню ампер транзистор можно сжечь за несколько миллисекунд, так что требования к выбору прибора и к измерительной цепи у этих двух подходов совершенно разные.
Главный герой разбора
Это IRLR8743PBF от Huaxuanyang (华轩阳) — низковольтный силовой MOSFET с n-каналом в корпусе TO-252-2L: номинальный ток 150 А, допустимое напряжение 30 В, сопротивление открытого канала 1,5 мОм при напряжении на затворе 10 В, предельное напряжение затвор-исток 20 В. В трёхфазном мосте инструмента на 12 В он попадает как раз в тот класс, где одного транзистора на плечо достаточно. Посмотрим по параметрам, как он снимает перечисленные четыре трудности.
Сопротивление открытого канала 1,5 мОм — ключ к нагреву. При длительном токе 30 А потери проводимости на транзисторе составляют P = I² × R = 900 × 0,0015 = 1,35 Вт; с обычным транзистором на 3,8 мОм получилось бы 3,42 Вт — разница около 60%. А на переходном режиме заклинивания при 100 А: 1,5 мОм дают 15 Вт, 3,8 мОм — 38 Вт, и в миллисекундном тепловом ударе эти лишние 23 Вт часто и есть та соломинка, из-за которой температура перехода выходит за безопасную границу. Малое сопротивление открытого канала прямо превращается в меньший перегрев и более долгую работу от аккумулятора.
Номинальный ток 150 А — запас против переходных забросов. Ток заклинивания достигает сотен ампер, и длительный номинал 150 А вместе с ещё большим допустимым импульсным током даёт транзистору запас, чтобы переварить пуск и заклинивание, а не держаться на пределе. Поэтому для такого инструмента и берут транзисторы класса выше 100 А, вместо того чтобы рисковать с приборами на 60 А.
Допустимое напряжение 30 В — подходящий запас для низковольтной платформы. При полном заряде батарея даёт 12,6 В, и по инженерному правилу «выброс при заклинивании и коммутации может доходить до двойного напряжения шины» наихудший режим оценивается примерно в 25 В. Прибор на 30 В оставляет около 20% запаса и при этом не заставляет, как приборы на более высокое напряжение (скажем, 40 В), поступаться сопротивлением открытого канала и ценой.
Корпус TO-252-2L — обычный выбор для поверхностного монтажа. Теплоотводящая площадка медного основания припаивается прямо к медной фольге платы и вместе с теплопроводящей подложкой и радиатором образует законченный путь отвода тепла; технология пайки освоена, стоимость умеренная, и это один из самых распространённых силовых корпусов на платах электроинструмента.
В той же серии есть исполнение в корпусе DFN5x6-8L — HXY150N03NF на 150 А, 30 В и 2 мОм: оно занимает меньше места на плате и прямо заменяет предыдущее там, где с местом туго.
Нужно оговориться: потери на переключение, стойкость к лавинному пробою, тепловое сопротивление и прочие динамические параметры сильно зависят от цепи управления затвором и условий на плате, так что конкретные значения надо брать из документации и измерений, а на этапе выбора — запрашивать подробные данные у технической поддержки Huaxuanyang.
Вся цепочка от управления до нагрузки
Силовая часть бесколлекторной дрели на 12 В — классический трёхфазный мост, но выбирать только эти шесть транзисторов нельзя: они оконечное звено целой цепи.
Управление: специализированный микроконтроллер выдаёт широтно-импульсный сигнал. Распространённые решения применяют шестишаговую коммутацию или векторное управление, частота модуляции обычно около 20 кГц — выше слышимого диапазона, что уравновешивает шум и потери на переключение. Многие специализированные микроконтроллеры для двигателей (например, микросхемы с ядром ARM Cortex-M0 вроде CMS32M5333) содержат встроенные драйверы затворов и могут прямо выдавать сигнал на затвор, избавляя от внешнего драйвера и его цепей; в инструменте на 12 В такой путь с большей степенью интеграции применяется широко.
Драйвер: усиление логического уровня до напряжения на затворе. Встроенный он или внешний, задача одна — поднять логические 3,3 или 5 В микроконтроллера до 10–12 В на затворе, чтобы MOSFET надёжно открывался полностью. Для IRLR8743PBF сопротивление открытого канала 1,5 мОм указано при напряжении на затворе 10 В, то есть он и рассчитан на драйвер этого класса. Питание затворов трёх верхних транзисторов обычно берут от схемы с «подкачкой» или зарядового насоса, а ёмкость подкачивающего конденсатора выбирают по частоте переключения и заряду затвора — обычно в пределах от 100 нФ до 1 мкФ, точное значение по документации. Затворный резистор задаёт скорость переключения, уравновешивая электромагнитные помехи и потери.
Силовая часть: шесть транзисторов образуют трёхфазный мост. На каждую фазу приходится полумост из верхнего и нижнего транзистора, коммутация идёт через 120°, и в любой момент проводят две фазы. Путь тока такой: плюс батареи — верхний транзистор — обмотка двигателя — нижний транзистор — измерительный резистор — земля. Сопротивление 1,5 мОм при напряжении на затворе 10 В удерживает потери проводимости при большой нагрузке; переходный процесс определяется зарядом затвора и способностью драйвера отдать ток, что при частоте 20 кГц позволяет сохранить разумную долю потерь на переключение. При коммутации ток отключаемой фазы продолжает идти через встроенный диод или синхронный выпрямитель, и это один из главных источников шума и потерь при коммутации.
Нагрузка: двигатель индуктивен и отвечает гораздо медленнее переключений. Обмотки бесколлекторного двигателя индуктивны, механические постоянные времени лежат в пределах от миллисекунд до сотен миллисекунд, так что частота вращения отзывается куда медленнее, чем идёт переключение на 20 кГц, и для двигателя модуляция выглядит как среднее напряжение. При заклинивании ток обмотки определяется напряжением шины, делённым на её сопротивление по постоянному току, — это и есть предел токовой нагрузки на каждый транзистор моста и опорное значение при расчёте защиты.
Расчёт запаса по напряжению. При полном заряде шина даёт 12,6 В; на заклинивании и коммутации к этому добавляется выброс от распределённой индуктивности, и по инженерной оценке с двукратным запасом получается около 25 В — ниже допустимых 30 В у IRLR8743PBF, запас порядка 20%, что соответствует правилу «напряжение шины не выше половины допустимого для прибора». Это и есть главное условие, при котором прибор на 30 В подходит платформе 12 В: если платформа поднимется до 18 или 20 В (сборка из пяти элементов, 21 В при полном заряде), придётся переходить на приборы с допустимым напряжением 40 В и выше.
Четыре ловушки
Ловушка первая: считать запас по напряжению от номинала шины, а не от выброса при заклинивании. У сборки с номиналом 12 В полный заряд даёт 12,6 В, а выброс при заклинивании по двукратной оценке подбирается к 25 В, так что 30 В — это нижняя граница, а не избыток. Что делать: сперва оценить наихудший выброс как «напряжение шины × 2», затем выбрать прибор с запасом по допустимому напряжению не меньше 20%; а если линейка переходит на платформу 18 или 20 В, решительно брать приборы на 40–60 В и не надеяться на удачу.
Ловушка вторая: защита от заклинивания только программная. Программная защита работает за миллисекунды, а ток в сотню ампер успевает за несколько миллисекунд перегреть транзистор. Что делать: взять измерительный резистор из сплава на 2–10 мОм и аппаратный сравнивающий усилитель, задав два порога: при токе в 2–3 раза выше номинального программа ограничивает ток, при 5–8 раз аппаратура мгновенно запирает транзисторы. Канал аппаратного запирания должен быть независим от микроконтроллера, чтобы сработать даже при его зависании.
Ловушка третья: слишком большой силовой контур в разводке платы. Чем больше площадь силового контура, тем выше паразитная индуктивность, тем больше выброс при запирании и тем труднее уложиться в нормы по помехам. Что делать: разводить цепь управления затвором отдельно от силовой и свести площадь затворного контура к минимуму; дорожки от измерительного резистора вести дифференциальной парой длиной не более 5 мм, подальше от коммутирующих узлов, чтобы шум переключения не наводился в измерительный сигнал и не вызывал ложных срабатываний защиты.
Ловушка четвёртая: неполный путь отвода тепла. Если теплоотводящую площадку корпуса TO-252 соединить с медью лишь символически, теплопроводящая подложка окажется бесполезной. Что делать: залить под площадкой медь полностью и прошить её массивом переходных отверстий, между транзистором и радиатором проложить теплопроводящую подложку, а в конце пересчитать температуру перехода по тепловому сопротивлению и убедиться, что в наихудшем режиме она остаётся в безопасных пределах.
И ещё одно, о чём чаще всего забывают новички: нельзя экономить на «мёртвом времени». Одновременная проводимость верхнего и нижнего транзисторов — самая губительная неисправность трёхфазного моста; «мёртвое время» обычно задают в пределах 1–3 мкс и перепроверяют его в крайних условиях — на холоде, при низком напряжении, — чтобы сквозной ток мгновенно не прожёг весь мост.
Если довести расчёт до конца, станет видно: выбор силовой части бесколлекторной дрели на 12 В по сути есть поиск равновесия между токовым забросом, выбросом на шине и отводом тепла. Сочетание 150 А, 30 В, 1,5 мОм и корпуса TO-252 у IRLR8743PBF попадает ровно в удачную точку для платформы из трёх литиевых элементов: малое сопротивление открытого канала удерживает нагрев, большой номинальный ток выдерживает заклинивание, допустимые 30 В оставляют достаточный запас к шине 12,6 В, а корпус для поверхностного монтажа укладывается в технологию производства инструмента.
Компания Huaxuanyang занимается силовыми полупроводниковыми приборами, накопила обширный опыт применения низковольтных MOSFET с большим током в приводах двигателей; её изделия применяются в электроинструменте, защите батарей, регуляторах беспилотников, и она может помочь с выбором приборов и технической поддержкой.