Czy to dobry projekt M-mostu H MOSFET?

Rozglądałem się wokół, próbując zaprojektować prosty, ale działający mostek H dla silnika samochodu RC (12V i 2 ~ 3A).

Ten most będzie napędzany z mikrokontrolera i musi być szybki, aby obsługiwać PWM. Bazując na moich odczytach, Power MOSFET to najlepszy wybór, jeśli chodzi o szybkie przełączanie i niską rezystancję. Zamierzam więc kupić tranzystory MOSFET z kanałami P i N, które są oceniane na 24 _V + i 6 A +, poziom logiczny, mają niskie R _DSon i szybkie przełączanie. Czy jest coś jeszcze, co powinienem rozważyć?

Ok, przejdźmy do projektu mostka H: Ponieważ mój MCU będzie pracował przy napięciu 5 V, wystąpi problem z wyłączeniem MOSFETU kanału P, ponieważ V _gs musi mieć napięcie 12V +, aby całkowicie się wyłączyć. Widzę, że wiele stron internetowych rozwiązuje ten problem za pomocą tranzystora NPN do napędzania FET kanału P. Wiem, że to powinno działać, jednak niska prędkość przełączania BJT zdominuje mój szybki FET!

Dlaczego więc nie zastosować N-kanałowego FET do napędzania F-kanałowego P, tak jak to mam w tym projekcie?

Czy to zły czy zły projekt? Czy jest jakiś problem, którego nie widzę?

Ponadto, czy wbudowana w te FET odwrócona dioda będzie wystarczająca, aby poradzić sobie z hałasem powodowanym przez zatrzymanie (a może odwrócenie) obciążenia indukcyjnego mojego silnika? Czy nadal muszę mieć prawdziwe diody typu flyback, aby chronić obwód?

Aby wyjaśnić schemat:

• Q3 i Q6 są tranzystorami N-kanałowymi po stronie niskiej
• Q1 i Q4 to tranzystory z górnym kanałem P, a Q2 i Q5 to tranzystory z kanałem N, które napędzają te kanały P (obniżają napięcie do GND).
• R2 i R4 są rezystorami podciągającymi, aby utrzymać kanał P. wyłączony.
• R1 i R3 są ogranicznikami prądu do ochrony MCU, (nie jestem pewien, czy są potrzebne w MOSFET-ach, ponieważ nie pobierają dużego prądu!)
• PWM 1 i 2 pochodzą z MCU 5 V.
• V _cc wynosi 12 V

Nie jestem pewien, dlaczego uważasz, że BJT są znacznie wolniejsze niż MOSFET-y mocy; to z pewnością nie jest nieodłączną cechą. Ale nie ma nic złego w korzystaniu z FET, jeśli tak wolisz.

Bramki MOSFET rzeczywiście potrzebują znacznych ilości prądu, zwłaszcza jeśli chcesz je szybko przełączyć, aby naładować i rozładować pojemność bramki - czasem nawet do kilku amperów! Twoje rezystory bramkowe 10K znacznie spowolnią twoje przejścia. Zwykle dla stabilności używasz rezystorów o mocy zaledwie 100 Ω lub szeregowych z bramkami.

Jeśli naprawdę chcesz szybkiego przełączania, powinieneś użyć specjalnego układu scalonego sterownika bramki między wyjściem PWM MCU i MOSFET-ami mocy. Na przykład International Rectifier ma szeroką gamę układów scalonych sterowników i istnieją wersje, które obsługują dla ciebie szczegóły napędu high-side dla P-kanałowych FET.

Dodatkowy:

Jak szybko chcesz się przełączać FET? Za każdym razem, gdy ktoś włącza się lub wyłącza, rozproszy impuls energii podczas przejścia, a im krótszy czas, tym lepiej. Impuls ten, pomnożony przez częstotliwość cyklu PWM, jest jednym ze składników średniej mocy potrzebnej do rozproszenia FET - często składową dominującą. Inne elementy obejmują moc w stanie włączenia (I _D ² × R _{DS (WŁ.)} Pomnożoną przez cykl roboczy PWM) i wszelką energię zrzucaną do diody nadwozia w stanie wyłączonym.

Jednym prostym sposobem modelowania strat przełączania jest założenie, że chwilowa moc jest z grubsza trójkątnym przebiegiem, którego szczyt wynosi (V _CC / 2) × (I _D / 2) i którego podstawa jest równa czasowi przejścia T _RISE lub T _FALL . Obszar tych dwóch trójkątów jest całkowitą energią przełączania rozpraszaną podczas każdego pełnego cyklu PWM: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Pomnóż to przez częstotliwość cyklu PWM, aby uzyskać średnią moc stratności przełączania.

Najważniejszą rzeczą, która dominuje czasy narastania i opadania, jest szybkość, z jaką można przesuwać ładunek bramy na bramę MOSFET-u i z niej. Typowy MOSFET średniej wielkości może mieć całkowity ładunek bramki rzędu 50-100 nC. Jeśli chcesz przenieść ten ładunek, powiedzmy, 1 µs, potrzebujesz sterownika bramki o mocy co najmniej 50-100 mA. Jeśli chcesz, aby przełączał się dwa razy szybciej, potrzebujesz dwa razy więcej prądu.

Po podłączeniu wszystkich liczb do twojego projektu otrzymamy: 12V × 3A × 2µs / 8 × 32kHz = 0,288 W (na MOSFET). Jeśli założymy, że R _{DS (ON)} wynosi 20 mΩ, a cykl pracy wynosi 50%, wówczas straty I ² R będą wynosić 3A ² × 0,02Ω × 0,5 = 90 mW (ponownie, na MOSFET). Razem dwa aktywne tranzystory polowe w danym momencie będą rozpraszać około 2/3 wata mocy z powodu przełączenia.

Ostatecznie jest to kompromis między tym, jak efektywny ma być obwód, a wysiłkiem, jaki należy włożyć w jego optymalizację.

Niezwykle złą praktyką jest wiązanie bram MOSFET ze sobą bez pewnego oporu lub impedancji między nimi. Q5 i Q3 są powiązane razem bez żadnego rozdzielenia, a także Q2 i Q6.

Jeśli ostatecznie doprowadzisz do gwałtownego napędzania FET (co, jak podejrzewam, skończysz), bramki mogą w końcu zadzwonić, powodując nieprzyjemne włączanie i wyłączanie nieprzyjemnych wysokich częstotliwości (MHz). Najlepiej jest równomiernie rozdzielić potrzebną oporność bramki i umieścić szeregowo rezystor dla każdej bramki. Wystarczy nawet kilka omów. Możesz też umieścić koralik ferrytowy na jednej z dwóch bram.

Rezystory podciągające do bramki tranzystorów polowych z kanałem P są o rząd wielkości zbyt duże. Wysadziłem mostek H o niskiej częstotliwości (<1 kHz), taki jak ten, z podciąganiem 220 omów; Jestem teraz przy 100 Ohmach i działa OK. Problem polega na tym, że powoduje to znaczny prąd pasożytniczy poprzez podciąganie podczas włączania kanału P., co powoduje utratę pełnego wata! Ponadto rezystor podciągający musi być mocny - ustawiłem równolegle około 1/4 watów i pracuję z PWM dość nisko, jak 300 Hz.

Ma to znaczenie dlatego, że trzeba bardzo szybko przepchnąć duży prąd do bramki, aby całkowicie włączyć / wyłączyć MOSFET. Jeśli pozostawisz go w stanie „pomiędzy”, opór będzie na tyle wysoki, że nagrzeje urządzenie i dość szybko wypuści magię.

Ponadto rezystor bramkowy dla sterowników PWM jest zbyt wysoki. Musi również być rzędu 100 omów lub mniej, aby zapewnić wystarczającą szybkość. Jeśli używasz PWM w kilohercach lub szybciej, potrzebujesz jeszcze więcej, więc w tym momencie wybierz układ scalony sterownika.

Niepokoi mnie fakt, że obie strony mostu są podłączone do tych samych sygnałów sterujących. Z dodatkowym opóźnieniem narzuconym przez bufor / falowniki N-FET, możesz mieć jednocześnie górny i dolny FET po jednej stronie mostka H jednocześnie w krótkich okresach czasu. Może to spowodować wystrzelenie znacznego prądu przez nogę pół mostka, a nawet uszkodzenie twoich FET-ów mocy.

Zapewnię osobne połączenia z MCU dla wszystkich czterech sygnałów napędu FET. W ten sposób możesz zaprojektować czas martwy między wyłączeniem FET przed włączeniem drugiego FET po tej samej stronie mostu.

R1 i R3 muszą wynosić 80 lub 100 omów .. i musisz dodać opór obniżania 1kohm zaraz po R1 i R3, aby ustawić go na 0 za każdym razem, gdy jest wyłączony, aby upewnić się, że jest całkowicie wyłączony .. i tak jak mówiono, jeśli używasz sterownik mosfet będzie lepiej i bezpieczniej dla kontrolera .. a reszta obwodu jest w porządku .. kolejną rzeczą jest sprawdzenie arkusza danych mosfetu, aby upewnić się, że opóźnienie włączania i wyłączania mosfetu (w nano sekundach) sprawdza, czy będzie pracować z żądaną częstotliwością PWM.