Это хороший дизайн для MOSFET H-Bridge?

Я искал вокруг, пытаясь спроектировать простой, но работающий H-Bridge для автомобильного мотора RC (12V и 2 ~ 3A).

Этот мост будет управляться микроконтроллером и должен быть быстрым для поддержки ШИМ. Таким образом, исходя из моих показаний, Power MOSFET - лучший выбор, когда речь идет о быстром переключении и низком сопротивлении. Поэтому я собираюсь купить мощные полевые МОП-транзисторы с каналом P и N, которые рассчитаны на 24 В + и 6 А +, логический уровень, имеют низкий _DSon R и быстрое переключение. Есть что-нибудь еще, что я должен рассмотреть?

Итак, давайте поговорим о конструкции H-моста: поскольку мой MCU будет работать на 5 В, возникнет проблема с отключением P-канального MOSFET, поскольку для полного выключения V _gs необходимо напряжение 12 В +. Я вижу, что многие веб-сайты решают эту проблему, используя NPN-транзистор для управления полевым транзистором с каналом P-типа. Я знаю, что это должно работать, однако медленная скорость переключения BJT будет доминировать в моем быстром переключении FET!

Так почему бы не использовать N-канальный полевой транзистор для управления полевым транзистором с каналом типа P, как у меня в этой конструкции?

Это плохой или неправильный дизайн? Есть ли проблема, которую я не вижу?

Кроме того, будет ли обратного диода, встроенного в эти полевые транзисторы, достаточно для устранения шума, вызванного остановкой (или, возможно, обращением) индуктивной нагрузки моего двигателя? Или мне все же нужны настоящие диоды обратного хода для защиты схемы?

Чтобы объяснить схему:

• Q3 и Q6 - N-канальные транзисторы низкой стороны
• Q1 и Q4 - транзисторы с каналом высокого уровня, а Q2 и Q5 - транзисторы с каналом N, которые управляют этим каналом (снизьте напряжение до GND).
• R2 и R4 являются подтягивающими резисторами, чтобы держать P-канал выключенным.
• R1 и R3 - ограничители тока для защиты MCU (не уверены, нужны ли они для полевых МОП-транзисторов, поскольку они не потребляют большой ток!)
• ШИМ 1 и 2 поступают от 5 В MCU.
• V _cc составляет 12 В

Я не уверен, почему вы думаете, что BJT значительно медленнее, чем мощные MOSFET; это, конечно, не присущая характеристика. Но нет ничего плохого в использовании FET, если вы предпочитаете именно это.

А для затворов MOSFET действительно необходим значительный ток, особенно если вы хотите быстро их переключать, заряжать и разряжать емкость затвора - иногда до нескольких ампер! Ваши резисторы 10K затвора значительно замедлят ваши переходы. Обычно для стабильности вы бы использовали резисторы всего 100 Ом или около того последовательно с затворами.

Если вы действительно хотите быстрое переключение, вы должны использовать специализированные ИС драйвера затвора между выходом ШИМ MCU и мощными полевыми транзисторами. Например, International Rectifier имеет широкий спектр микросхем драйверов, и есть версии, которые обрабатывают детали привода верхней стороны для полевых транзисторов P-канала.

Дополнительно:

Как быстро вы хотите переключить FET? Каждый раз, когда он включается или выключается, он будет рассеивать импульс энергии во время перехода, и чем короче вы можете сделать это, тем лучше. Этот импульс, умноженный на частоту цикла ШИМ, является одним из компонентов средней мощности, которую должен рассеивать FET - часто доминирующий компонент. Другие компоненты включают питание во _{включенном} состоянии (I _D ² × R _{DS (ON),} умноженное на рабочий цикл ШИМ) и любую энергию, сбрасываемую в диод корпуса в выключенном состоянии.

Один простой способ смоделировать потери при переключении состоит в том, чтобы предположить, что мгновенная мощность является примерно треугольной формой волны, пик которой (V _CC / 2) × (I _D / 2) и основание которой равно времени перехода T _RISE или T _FALL. , Площадь этих двух треугольников - это общая энергия переключения, рассеиваемая в течение каждого полного цикла ШИМ: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Умножьте это на частоту цикла ШИМ, чтобы получить среднюю мощность потерь на переключение.

Главное, что доминирует во время нарастания и спада, это то, как быстро вы можете перемещать заряд затвора на затвор MOSFET и с него. Типичный MOSFET среднего размера может иметь общую зарядку затвора порядка 50-100 нКл. Если вы хотите переместить этот заряд, скажем, в 1 мкс, вам нужен драйвер затвора, способный по крайней мере 50-100 мА. Если вы хотите, чтобы он переключался в два раза быстрее, вам нужно в два раза больше тока.

Если мы включим все числа для вашего дизайна, мы получим: 12 В × 3 А × 2 мкс / 8 × 32 кГц = 0,288 Вт (для MOSFET). Если предположить, что R _{DS (ON)} составляет 20 мОм, а рабочий цикл - 50%, то потери I ² R будут равны 3A ² × 0,02 Ом × 0,5 = 90 мВт (опять же, для каждого MOSFET). Вместе два активных полевых транзистора в любой данный момент будут рассеивать около 2/3 Вт мощности из-за переключения.

В конечном счете, это компромисс между эффективностью схемы и тем, сколько усилий вы хотите приложить для ее оптимизации.

Чрезвычайно плохая практика - соединять ворота MOSFET без какого-либо сопротивления или сопротивления между ними. Q5 и Q3 связаны друг с другом без разделения, а также Q2 и Q6.

Если вы закончите вождение этих полевых транзисторов (что, я подозреваю, вы в конечном итоге сделаете), то затворы могут в конечном итоге звенеть друг с другом, вызывая неприятные высокочастотные (МГц) ложные переходы при включении и выключении. Лучше всего разделить необходимое сопротивление затвора поровну и поставить один резистор последовательно с каждым затвором. Даже нескольких ом достаточно. Или вы можете поставить ферритовую бусину на один из двух ворот.

Подъёмные резисторы для затвора полевых транзисторов с P-каналом на порядок выше двух величин. Я взорвал низкочастотный (<1 кГц) H-мост, как этот, с напряжением 220 Ом; Я сейчас на 100 Ом, и это работает хорошо. Проблема в том, что это приводит к значительному паразитному току через подтягивание при включении P-канала, что приводит к потере полного ватта! Кроме того, подтягивающий резистор должен быть мощным - у меня было примерно 1/4 Вт, и я использую ШИМ довольно низко, например, 300 Гц.

Причина, по которой это имеет значение, заключается в том, что вам необходимо в течение очень короткого времени протолкнуть большой ток в затвор, чтобы полностью включить / выключить MOSFET. Если вы оставите его в промежуточном состоянии, сопротивление будет достаточно высоким, чтобы оно нагревало устройство и довольно быстро выпускало магию дыма.

Кроме того, резистор затвора для ШИМ управления слишком велик. Он также должен быть порядка 100 Ом или меньше, чтобы управлять им достаточно быстро. Если вы запускаете ШИМ с килогерцем или быстрее, вам нужно еще больше, так что на этом этапе, перейдите к IC драйвера.

У меня есть некоторые опасения по поводу того, что у вас есть обе стороны моста, подключенные к одинаковым контрольным сигналам. С дополнительной задержкой, налагаемой буфером / инверторами N-FET, вы можете одновременно включить верхний и нижний полевые транзисторы на одной стороне H-моста в течение коротких периодов времени. Это может привести к значительному току, пробивающемуся через ногу полумоста, и, возможно, даже повредить силовые полевые транзисторы.

Я бы предоставил отдельные подключения от вашего MCU для всех четырех сигналов привода FET. Таким образом, вы можете спроектировать так, чтобы между отключением полевого транзистора и отключением другого полевого транзистора на той же стороне моста было мертвое время.

R1 и R3 должны быть 80 или 100 Ом .. и вам нужно добавить сопротивление сопротивления 1kohm сразу после R1 и R3, чтобы сбросить его до 0, когда он выключен, чтобы убедиться, что он полностью выключен ... и, как вам сказали, если вы используете Драйвер mosfet это будет лучше и безопаснее для контроллера .. и остальная часть схемы в порядке .. Другое дело, чтобы проверить таблицу данных mosfets, чтобы убедиться, что время включения и выключения mosfet (в нано секундах), чтобы проверить, будет ли он работать с вашей шим желаемой частотой ..