È un buon design per MOSFET H-Bridge?

Mi sono guardato intorno cercando di progettare un H-Bridge semplice ma funzionante per un motore per auto RC (12V e 2 ~ 3A).

Questo bridge sarà guidato da un microcontrollore e deve essere veloce per supportare PWM. Quindi, in base alle mie letture, i MOSFET di potenza sono la scelta migliore quando si tratta di commutazione rapida e bassa resistenza. Quindi comprerò MOSFET di potenza per canali P e N classificati a 24 V + e 6 A +, livello logico, _DSon R basso e commutazione rapida. C'è qualcos'altro che dovrei considerare?

Ok così via al design del ponte H: dal momento che il mio MCU funzionerà a 5V, ci sarà un problema con lo spegnimento del MOSFET a canale P, poiché V _gs deve essere a 12V + per spegnersi completamente. Vedo che molti siti Web stanno risolvendo questo problema utilizzando un transistor NPN per pilotare il FET del canale P. So che dovrebbe funzionare, tuttavia, la bassa velocità di commutazione del BJT dominerà il mio FET a commutazione rapida!

Quindi perché non usare un FET del canale N per guidare il FET del canale P come quello che ho in questo progetto?

Questo design è cattivo o sbagliato? C'è qualche problema che non vedo?

Inoltre, il diodo inverso incorporato in queste FET sarà sufficiente per gestire il rumore causato dall'arresto (o forse dall'inversione) del carico induttivo del mio motore? O devo ancora avere un vero diodo flyback per proteggere il circuito?

Per spiegare lo schema:

• Q3 e Q6 sono i transistor del canale N sul lato inferiore
• Q1 e Q4 sono i transistor del canale P lato alto e Q2 e Q5 sono i transistor del canale N che pilotano quei canali P (riducono la tensione a GND).
• R2 e R4 sono resistori pull-up per mantenere spento il canale P.
• R1 e R3 sono limitatori di corrente per proteggere l'MCU (non sono sicuri se sono necessari con MOSFET, poiché non assorbono molta corrente!)
• PWM 1 e 2 provengono da un MCU 5V.
• V _cc è 12V

Non sono sicuro del perché pensi che i BJT siano significativamente più lenti dei MOSFET di potenza; questa non è certamente una caratteristica intrinseca. Ma non c'è niente di sbagliato nell'utilizzare i FET se è quello che preferisci.

E le porte MOSFET hanno davvero bisogno di quantità significative di corrente, specialmente se si desidera cambiarle rapidamente, per caricare e scaricare la capacità del gate - a volte fino a pochi ampere! I resistori di gate da 10K rallenteranno significativamente le transizioni. Normalmente, si userebbero resistori di appena 100Ω o giù di lì in serie con le porte, per stabilità.

Se si desidera davvero una commutazione rapida, è necessario utilizzare circuiti integrati gate-driver per scopi speciali tra l'uscita PWM dell'MCU e i MOSFET di potenza. Ad esempio, International Rectifier ha una vasta gamma di chip driver e ci sono versioni che gestiscono per te i dettagli dell'unità high-side per i FET del canale P.

Ulteriori:

Quanto velocemente vuoi che i FET cambino? Ogni volta che uno si accende o si spegne, dissiperà un impulso di energia durante la transizione e più breve è possibile, meglio è. Questo impulso, moltiplicato per la frequenza del ciclo PWM, è un componente della potenza media che il FET deve dissipare, spesso il componente dominante. Altri componenti includono l'alimentazione allo stato acceso (I _D ² × R _{DS (ON)} moltiplicata per il ciclo di lavoro PWM) e qualsiasi energia scaricata nel diodo corporeo nello stato spento.

Un modo semplice per modellare le perdite di commutazione è assumere che la potenza istantanea sia approssimativamente una forma d'onda triangolare il cui picco è (V _CC / 2) × (I _D / 2) e la cui base è uguale al tempo di transizione T _RISE o T _FALL . L'area di questi due triangoli è l'energia totale di commutazione dissipata durante ciascun ciclo PWM completo: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Moltiplicare questo per la frequenza del ciclo PWM per ottenere la potenza media di perdita di commutazione.

La cosa principale che domina i tempi di salita e discesa è la velocità con cui è possibile spostare la carica del gate dentro e fuori dal gate del MOSFET. Un tipico MOSFET di medie dimensioni potrebbe avere una carica di gate totale dell'ordine di 50-100 nC. Se vuoi spostare quella carica, diciamo, 1 µs, hai bisogno di un gate driver capace di almeno 50-100 mA. Se vuoi che cambi due volte più velocemente, hai bisogno del doppio della corrente.

Se inseriamo tutti i numeri per il tuo design, otteniamo: 12V × 3A × 2µs / 8 × 32kHz = 0,288 W (per MOSFET). Se assumiamo R _{DS (ON)} di 20mΩ e un ciclo di lavoro del 50%, le perdite di I ² R saranno 3A ² × 0,02Ω × 0,5 = 90 mW (di nuovo, per MOSFET). Insieme, i due FET attivi in ​​un dato momento dissiperanno circa 2/3 watt di potenza a causa della commutazione.

In definitiva, è un compromesso tra quanto efficiente vuoi che il circuito sia e quanto sforzo vuoi fare per ottimizzarlo.

È una cattiva pratica legare insieme i cancelli MOSFET senza alcuna resistenza o impedenza tra loro. Q5 e Q3 sono legati insieme senza alcuna separazione, così come Q2 e Q6.

Se finisci per guidare questi FET duramente (cosa che sospetto finirai per fare), le porte possono finire per suonare l'una con l'altra, causando cattive accensioni spurie ad alta frequenza (MHz) e disattivazioni. È meglio dividere equamente la resistenza di gate necessaria e mettere un resistore in serie con ciascun gate. Anche pochi ohm è abbastanza. Oppure, potresti mettere un tallone di ferrite su una delle due porte.

Le resistenze di pull-up per il gate dei FET del canale P sono nell'ordine di due magnitudini troppo grandi. Ho fatto saltare un ponte H a bassa frequenza (<1 kHz) in questo modo correndo con un pull-up di 220 ohm; Ora sono a 100 Ohm e funziona bene. Il problema è che questo provoca una significativa corrente parassita attraverso il pull-up quando si accende il canale P, per una perdita di un watt pieno! Inoltre, la resistenza di pull-up deve essere robusta: ho messo in parallelo circa 1/4 watt e ho eseguito il PWM piuttosto basso, come 300 Hz.

La ragione per cui è importante è che è necessario spingere molta corrente nel gate per un tempo molto breve per accendere / spegnere completamente il MOSFET. Se lo lasci nello stato "in mezzo", la resistenza sarà abbastanza alta da riscaldare il dispositivo e far uscire abbastanza rapidamente la magia.

Inoltre, il resistore di gate per i controlli PWM è troppo alto. Inoltre, deve essere dell'ordine di 100 ohm o meno per guidarlo abbastanza velocemente. Se esegui PWM a kilohertz o più veloce, hai bisogno di ancora di più, quindi a quel punto, scegli un driver IC.

Ho qualche preoccupazione per il fatto che entrambi i lati del ponte sono collegati agli stessi segnali di controllo. Con il ritardo aggiuntivo imposto dal vostro buffer / inverter N-FET, potreste avere sia i FET superiore che inferiore su un lato dell'H-Bridge contemporaneamente per brevi periodi di tempo. Ciò può causare una corrente significativa che spara attraverso la gamba del mezzo ponte e può anche danneggiare i FET di potenza.

Fornirei collegamenti separati dal tuo MCU per tutti e quattro i segnali del drive FET. In questo modo è possibile progettare che ci sia un tempo morto tra lo spegnimento di un FET prima di accendere l'altro FET sullo stesso lato del ponte.

R1 e R3 devono essere 80 o 100 ohm .. e devi aggiungere pull down resistenza 1kohm subito dopo R1 e R3 per tirarlo a 0 ogni volta che è spento per assicurarti che sia completamente spento..e come ti è stato detto se usi driver mosfet sarà migliore e più sicuro per il controller ... e il resto del circuito è ok .. un'altra cosa è controllare il foglio dati mosfet per assicurarsi che il ritardo del mosfet si accenda e si spenga (in nano secondi) per verificare se lo farà lavorare con la frequenza desiderata pwm ..