Bu MOSFET H-Bridge için iyi bir tasarım mı?

Bir RC araba motoru (12V ve 2 ~ 3A) için basit ama çalışan bir H-Bridge tasarlamaya çalışıyordum.

Bu köprü bir mikrodenetleyiciden sürülecek ve PWM'yi desteklemek için hızlı olması gerekir. Okumalarıma dayanarak, hızlı anahtarlama ve düşük direnç söz konusu olduğunda Power MOSFET en iyi seçimdir. Bu yüzden 24V + ve 6A +, Mantık Seviyesi, düşük R _DSon ve hızlı anahtarlama ile derecelendirilmiş P ve N kanal gücü MOSFET'leri satın _alacağım . Dikkate almam gereken başka bir şey var mı?

Tamam, H-köprü tasarımına devam edin: MCU'm 5V'de çalışacağından, V- _g'nin tamamen kapanması için V + 'nın 12V + olması gerektiğinden P-kanal MOSFET'in kapatılmasında bir sorun olacaktır . Birçok web sitesinin, P-kanalı FET'ini çalıştırmak için bir NPN transistörü kullanarak bu sorunu çözdüğünü görüyorum. Bunun işe yarayacağını biliyorum, ancak BJT'nin yavaş anahtarlama hızı benim hızlı anahtarlama FET'ime egemen olacak!

Öyleyse neden P-kanal FET'i bu tasarımdaki gibi sürmek için N-kanal FET kullanmıyorsunuz?

Bu kötü ya da yanlış tasarım mı? Görmediğim bir sorun var mı?

Ayrıca, bu FET'te inşa edilen ters çevrilmiş diyot, motorumun endüktif yükünün durdurulmasından (veya belki de ters çevrilmesinden) kaynaklanan gürültüyü işlemek için yeterli olacak mı? Yoksa devreyi korumak için hala gerçek bir geri dönüş diyotuna ihtiyacım var mı?

Şemayı açıklamak için:

• Q3 ve Q6 düşük taraf N-kanal transistörleridir
• Q1 ve Q4, yüksek taraf P-kanal transistörleridir ve Q2 ve Q5, bu P-kanalını çalıştıran N-kanal transistörleridir (gerilimi GND'ye indirin).
• R2 ve R4, P kanalını kapalı tutmak için yukarı çeken dirençlerdir.
• R1 ve R3, MCU'yu korumak için akım sınırlayıcılarıdır (çok fazla akım çekmedikleri için MOSFET'lere ihtiyaç duyup duymadıklarından emin değilsiniz!)
• PWM 1 ve 2, 5V MCU'dan geliyor.
• V _cc 12V'dir

BJT'lerin neden güç MOSFET'lerinden önemli ölçüde daha yavaş olduğunu düşündüğünüzden emin değilim; bu kesinlikle doğal bir özellik değil. Ama eğer tercih ediyorsanız, FET'leri kullanmakta yanlış bir şey yoktur.

Ve MOSFET kapıları, özellikle hızlı bir şekilde değiştirmek istiyorsanız, kapı kapasitansını şarj etmek ve boşaltmak için - bazen birkaç ampere kadar - önemli miktarda akıma ihtiyaç duyar! 10K kapı dirençleriniz geçişlerinizi önemli ölçüde yavaşlatacaktır. Normalde, stabilite için kapılarla seri halde sadece 100Ω dirençleri kullanırsınız.

Gerçekten hızlı geçiş yapmak istiyorsanız, MCU'nun PWM çıkışı ile güç MOSFET'leri arasında özel amaçlı geçit sürücüsü IC'leri kullanmalısınız. Örneğin, Uluslararası Doğrultucu çok çeşitli sürücü yongalarına sahiptir ve sizin için P-kanal FET'leri için yüksek taraf sürücüsü ayrıntılarını işleyen sürümler vardır.

Ek:

FET'lerin ne kadar hızlı değişmesini istiyorsunuz? Biri her açıldığında veya kapatıldığında, geçiş sırasında bir enerji darbesi dağıtacaktır ve bunu ne kadar kısa yaparsanız o kadar iyi olur. PWM döngü frekansı ile çarpılan bu darbe, FET'in dağıtması gereken ortalama gücün bir bileşenidir - genellikle baskın bileşen. Diğer bileşenler arasında açık durum gücü (I _D ² × R _{DS (AÇIK)} , PWM görev döngüsü ile çarpılır) ve kapalı durumda vücut diyotuna dökülen herhangi bir enerji bulunur.

Anahtarlama kayıplarını modellemenin basit bir yolu, anlık gücün kabaca zirvesi (V _CC / 2) × (I _D / 2) olan ve tabanı T _RISE veya T _FALL geçiş süresine eşit olan bir üçgen dalga formu olduğunu varsaymaktır. . Bu iki üçgenin alanı, her tam PWM döngüsü sırasında harcanan toplam anahtarlama enerjisidir: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Ortalama anahtarlama kaybı gücünü elde etmek için bunu PWM döngüsü frekansı ile çarpın.

Yükselme ve düşme zamanlarına hakim olan en önemli şey, MOSFET'in kapısı yükünü ne kadar hızlı hareket ettirebileceğinizdir. Tipik bir orta boy MOSFET, 50-100 nC civarında toplam geçit yüküne sahip olabilir. Bu yükü, örneğin 1 µs'ye taşımak istiyorsanız, en az 50-100 mA kapasitesine sahip bir kapı sürücüsüne ihtiyacınız vardır. İki kat daha hızlı değişmesini istiyorsanız, akımın iki katına ihtiyacınız vardır.

Tasarımınız için tüm sayıları takarsak, şunları elde ederiz: 12V × 3A × 2µs / 8 × 32kHz = 0.288 W (MOSFET başına). 20mΩ R _{DS (ON)} ve% 50 görev döngüsü varsayarsak, I ² R kayıpları 3A ² × 0.02Ω × 0.5 = 90 mW olacaktır (yine MOSFET başına). Birlikte, herhangi bir anda iki aktif FET, anahtarlama nedeniyle yaklaşık 2/3 watt güç harcayacak.

Nihayetinde, devrenin ne kadar verimli olmasını istediğiniz ile onu optimize etmek için ne kadar çaba harcamak istediğiniz arasındaki bir ödünleşmedir.

MOSFET kapılarını aralarında direnç veya empedans olmadan birbirine bağlamak son derece kötü bir uygulamadır. Q5 ve Q3, Q2 ve Q6'nın yanı sıra herhangi bir ayırma olmadan birbirine bağlanır.

Bu FET'leri sert bir şekilde sürerseniz (ki sonunda yapacağınızdan şüphelenirim), kapılar birbirleriyle çınlayabilir ve kötü yüksek frekanslı (MHz) sahte açma ve kapama geçişlerine neden olabilir. Gerekli kapı direncini eşit olarak bölmek ve her kapı ile seri olarak bir direnç koymak en iyisidir. Birkaç ohm bile yeterlidir. Veya iki kapıdan birine bir ferrit boncuk koyabilirsiniz.

P-kanalı FET'lerinin kapısı için çekme dirençleri çok büyük iki büyüklüktedir. 220 ohm'luk bir çekme ile çalışan bu gibi düşük frekanslı (<1 kHz) bir H köprüsü patlattım; Şimdi 100 Ohm'dayım ve sorun değil. Sorun, bunun tam bir watt kaybı için P-kanalını açarken çekme yoluyla önemli parazit akımına neden olmasıdır! Ayrıca, çekme direncinin etli olması gerekir - 1/4 watt'a paralel oldum ve PWM'yi 300 Hz gibi oldukça düşük çalıştırıyorum.

Bunun nedeni, MOSFET'i tamamen açmak / kapatmak için çok fazla akımı çok kısa bir süre kapıya itmeniz gerektiğidir. Onu "arada" durumunda bırakırsanız, direnç cihazı ısıtacak ve sihirlerin hızla dışarı çıkmasına izin verecek kadar yüksek olacaktır.

Ayrıca, PWM kontrolleri için kapı direnci çok yüksek. Yeterince hızlı sürmek için 100 ohm veya daha az olması gerekir. PWM'yi kilohertz veya daha hızlı bir şekilde çalıştırırsanız, daha da fazlasına ihtiyacınız vardır, bu yüzden bir sürücü IC'ye gidin.

Köprünün her iki tarafının da aynı kontrol sinyallerine bağlı olmasıyla ilgili bazı endişelerim var. N-FET tampon / invertörleriniz tarafından uygulanan ek gecikme ile, kısa süreliğine aynı anda H-Bridge'in bir tarafında hem üst hem de alt FET'lere sahip olabilirsiniz. Bu, yarım köprü bacağından ciddi akım çekilmesine ve hatta güç FET'lerinize zarar vermesine neden olabilir.

FET sürücü sinyallerinin dördü için MCU'nuzdan ayrı bağlantılar sağlarım. Bu şekilde, köprünün aynı tarafındaki diğer FET'i açmadan önce bir FET'i kapatmak arasında ölü bir zaman olacak şekilde tasarlayabilirsiniz.

R1 ve R3 80 veya 100 ohm olmalıdır .. ve R1 ve R3'ten hemen sonra 1kohm direnci aşağı çekmeniz gerekir, tamamen kapalı olduğundan emin olmak için her defasında 0'a çekmek için ... ve kullandığınızda söylendiğiniz gibi mosfet sürücüsü kontrolör için daha iyi ve daha güvenli olacak ... ve devrenin geri kalanı tamam .. başka bir şey mosfet zaman veri açma ve kapama (nano saniye olarak) olup olmadığını kontrol etmek için mosfet veri sayfasını kontrol etmektir İstediğiniz frekans ile çalışın ..