Це хороший дизайн для MOSFET H-Bridge?

Я озирався, намагаючись розробити простий, але працюючий Н-міст для автомобільного мотора RC (12 В та 2 ~ 3А).

Цей міст буде виведений з мікроконтролера і його потрібно мати швидку підтримку ШІМ. Отже, виходячи з моїх показань, Power MOSFET - найкращий вибір, коли справа стосується швидкої комутації та низького опору. Тож я збираюся придбати _M і _NF- джерела потужності P та N каналів, які мають значення 24V + та 6A +, Logic Level, мають низький R _DSon та швидке перемикання. Чи є ще щось, що я повинен розглянути?

Добре так, що стосується конструкції H-мосту: Оскільки мій MCU буде працювати на 5В, виникла проблема з вимкненням P-канального MOSFET, оскільки V _gs має бути 12V +, щоб повністю вимкнутись. Я бачу, що багато веб-сайтів вирішують цю проблему, використовуючи транзистор NPN для управління P-канальним FET. Я знаю, що це має працювати, однак, повільна швидкість перемикання BJT буде домінувати над моїм швидким перемиканням FET!

То чому б не використовувати N-канальний FET для управління P-канальним FET, як я маю в цій конструкції?

Це погана чи неправильна конструкція? Чи є якась проблема, яку я не бачу?

Також чи буде достатньо вбудованого в цих БНТ зворотного діода для управління шумом, спричиненим зупинкою (або, можливо, назад) індуктивного навантаження мого двигуна? Або мені все-таки потрібні справжні диоди, що захищають ланцюг?

Щоб пояснити схематично:

• Q3 і Q6 - низькосторонні N-канальні транзистори
• Q1 і Q4 - транзистори P-каналу високої сторони, а Q2 і Q5 - транзистори N-каналів, які керують тими P-каналами (підтягують напругу до GND).
• R2 і R4 - це резистори, що підтягуються, щоб утримувати P-канал.
• R1 і R3 - обмежувачі струму для захисту MCU (не впевнені, чи потрібні вони з MOSFET, оскільки вони не сильно струмують!)
• ШІМ 1 та 2 надходять від 5 В MCU.
• V _куб.см - 12В

Я не впевнений, чому ви вважаєте, що BJT значно повільніші, ніж силові MOSFET; це, звичайно, не властива характеристиці. Але немає нічого поганого у використанні БНТ, якщо саме так ви віддаєте перевагу.

А ворота MOSFET дійсно потребують значної кількості струму, особливо якщо ви хочете швидко їх перемикати, заряджати та розряджати ємність воріт - іноді до кількох ампер! Ваші резистори на 10К воріт значно сповільнить ваші переходи. Як правило, для стійкості ви використовуєте резистори розміром лише 100 Ом або близько того послідовно з воротами.

Якщо ви дійсно хочете швидкої комутації, вам слід використовувати спеціальні інтелектуальні пристрої драйверів воріт між вихідними ШІМ MCU та силовими MOSFET. Наприклад, International Rectifier має широкий спектр драйверів мікросхем, і є версії, які обробляють деталі накопичувача на високій стороні для ПЕТ-каналів FET для вас.

Додатково:

Як швидко ви хочете, щоб FETs переходили? Кожен раз, коли ви вмикаєте чи вимикаєте, це втрачає імпульс енергії під час переходу, і чим коротше ви можете це зробити, тим краще. Цей імпульс, помножений на частоту циклу ШІМ, є одним із компонентів середньої потужності, яку FET потребує розсіювати - часто домінуючий компонент. Інші компоненти включають потужність увімкненого стану (I _D ² × R _{DS (ON),} помножену на робочий цикл ШІМ) та будь-яку енергію, скинуту в діод кузова у вимкненому стані.

Один з простих способів моделювання втрат на комутацію - припустити, що миттєва потужність - це приблизно трикутна форма хвилі, пік якої (V _CC / 2) × (I _D / 2) і основа якої дорівнює часу переходу T _RISE або T _FALL . Площа цих двох трикутників - загальна енергія комутації, що розсіюється протягом кожного повного циклу ШІМ: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Помножте це на частоту циклу PWM, щоб отримати середню потужність втрати комутації.

Головне, що домінує у часи підйому та падіння - це те, наскільки швидко ви можете переміщати затвор на ворота і виходити з воріт MOSFET. Типовий MOSFET середнього розміру може мати загальний заряд затвора в порядку 50-100 нС. Якщо ви хочете перемістити цей заряд на, скажімо, 1 мкс, вам потрібен драйвер затвора, здатний принаймні 50-100 мА. Якщо ви хочете, щоб він перемикався вдвічі швидше, вам потрібно двічі струм.

Якщо ми підключимо всі цифри для вашого дизайну, ми отримаємо: 12V × 3A × 2 мкс / 8 × 32 кГц = 0,288 Вт (на MOSFET). Якщо припустити R _{DS (ON)} 20mΩ і робочий цикл 50%, то втрати I ² R становитимуть 3A ² × 0,02Ω × 0,5 = 90 мВт (знову ж таки, на MOSFET). Разом ці два активних БНТ в будь-який момент будуть втрачати близько 2/3 Вт потужності через комутацію.

Зрештою, це компроміс між тим, наскільки ефективно ви хочете, щоб схема була, і тим, скільки зусиль ви хочете докласти для її оптимізації.

Вкрай поганою практикою є зв'язування воріт MOSFET без деякого опору або опору між ними. Q5 і Q3 пов'язані між собою без будь-якого поділу, а також Q2 і Q6.

Якщо ви закінчите керувати цими FETs (які, мабуть, ви все робите), ворота можуть дзвонити між собою, спричиняючи неприємні високочастотні (МГц) хибні переходи включення та вимкнення. Найкраще розділити необхідний опір воріт порівну і покласти один резистор послідовно з кожними воротами. Навіть кількох Ом достатньо. Або ви можете покласти феритову намистину на одну з двох воріт.

Підтягуючі резистори для затворів ПТ-каналу FET мають на порядок дві величини. Я підірвав низькочастотний (<1 кГц) Н-міст, як цей, що працює з підтягуванням 220 Ом; Зараз я на 100 Ом, і це працює добре. Проблема полягає в тому, що це спричиняє значний паразитичний струм через підтягування при включенні P-каналу, втрачаючи повний ват! Крім того, підтягуючий резистор повинен бути поважним - я паралельний деяким 1/4 Вт, і я працюю ШІМ досить низько, як 300 Гц.

Причиною цього є те, що вам потрібно дуже короткий час штовхати велику кількість струму у ворота, щоб повністю включити / вимкнути MOSFET. Якщо ви залишите його в стані "між", опір буде достатньо високим, що він нагріває пристрій і досить швидко випускає магічний дим.

Крім того, затворний резистор для ШІМ управління занадто високий. Це також має бути близько 100 Ом або менше, щоб їздити на ньому досить швидко. Якщо ви працюєте з ШІМ на кілогерц або швидше, вам потрібно ще більше, тому в цей момент перейдіть за драйвером.

Я маю певне занепокоєння з приводу того, що у вас обидві сторони моста підключені до одних і тих же керуючих сигналів. З додатковою затримкою, накладеною вашим буфером / інверторами N-FET, ви можете мати і верхній, і нижній FET на одній стороні Н-мосту одночасно на короткий проміжок часу. Це може призвести до значного струму, який прострілює через напівлегку ногу мосту, і, можливо, навіть пошкодить ваші силові БНТ.

Я б забезпечив окремі з'єднання від вашого MCU для всіх чотирьох сигналів приводу FET. Таким чином, ви можете спроектувати, що настане мертвий час між вимкненням FET перед вмиканням іншого FET на тій же стороні мосту.

R1 і R3 повинні бути 80 або 100 Ом .., і вам потрібно додати опір 1 км на відстань відразу після R1 і R3, щоб витягнути його до 0, коли його вимкнути, щоб переконатися, що він повністю відключений .. і, як вам сказали, якщо ви використовуєте драйвер mosfet, це буде краще і безпечніше для контролера .. а решта ланцюга в порядку .. інша річ - перевірити таблицю даних mosfets, щоб переконатися, що затримка часу мосфета вмикається і вимикається (в нано секундах), щоб перевірити, чи буде робота з вашою PWM потрібної частоти ..