Apakah ini desain yang bagus untuk MOSFET H-Bridge?

Saya telah mencari-cari mencoba merancang H-Bridge yang sederhana tetapi berfungsi untuk motor mobil RC (12V dan 2 ~ 3A).

Jembatan ini akan digerakkan dari mikrokontroler dan harus cepat untuk mendukung PWM. Jadi berdasarkan pembacaan saya, Power MOSFET adalah pilihan terbaik ketika datang ke switching cepat dan resistansi rendah. Jadi saya akan membeli MOSFET daya saluran P dan N yang berperingkat 24V + dan 6A +, Level Logika, memiliki _DSon R rendah , dan pengalihan cepat. Apakah ada hal lain yang harus saya pertimbangkan?

Ok seterusnya ke desain H-bridge: Karena MCU saya akan berjalan pada 5V, akan ada masalah dengan mematikan P-channel MOSFET, karena V _gs harus di 12V + untuk benar-benar mematikan. Saya melihat bahwa banyak situs web yang memecahkan masalah ini dengan menggunakan transistor NPN untuk menggerakkan P-channel FET. Saya tahu ini akan berhasil, namun, kecepatan switching yang lambat dari BJT akan mendominasi FET pengalihan cepat saya!

Jadi mengapa tidak menggunakan N-channel FET untuk menggerakkan P-channel FET seperti apa yang saya miliki dalam desain ini?

Apakah desain ini buruk atau salah? Apakah ada masalah yang tidak saya lihat?

Juga, akankah dioda terbalik yang dibangun dalam FET ini cukup untuk menangani kebisingan yang disebabkan oleh penghentian (atau mungkin pembalikan) beban induktif motor saya? Atau apakah saya masih perlu memiliki dioda flyback nyata untuk melindungi sirkuit?

Untuk menjelaskan skema:

• Q3 & Q6 adalah transistor saluran-N sisi rendah
• Q1 & Q4 adalah transistor P-channel sisi tinggi, dan Q2 & Q5 adalah transistor N-channel yang menggerakkan P-channel tersebut (tarik voltase ke bawah ke GND).
• R2 & R4 adalah resistor pull up untuk menjaga saluran-P mati.
• R1 & R3 adalah pembatas saat ini untuk melindungi MCU, (tidak yakin apakah mereka diperlukan dengan MOSFET, karena mereka tidak menarik banyak arus!)
• PWM 1 & 2 berasal dari MCU 5V.
• V _cc adalah 12V

Saya tidak yakin mengapa Anda berpikir BJT secara signifikan lebih lambat daripada MOSFET daya; itu jelas bukan karakteristik yang melekat. Tetapi tidak ada yang salah dengan menggunakan FET jika itu yang Anda inginkan.

Dan gerbang MOSFET memang membutuhkan sejumlah besar arus, terutama jika Anda ingin beralih dengan cepat, untuk mengisi dan melepaskan kapasitansi gerbang - terkadang hingga beberapa amp! Resistor gerbang 10K Anda akan secara signifikan memperlambat transisi Anda. Biasanya, Anda akan menggunakan resistor hanya 100Ω atau lebih secara seri dengan gerbang, untuk stabilitas.

Jika Anda benar-benar ingin beralih cepat, Anda harus menggunakan IC gerbang-driver tujuan khusus antara output PWM dari MCU dan MOSFET daya. Misalnya, Penyearah Internasional memiliki beragam chip driver, dan ada versi yang menangani detail drive sisi-tinggi untuk FET kanal-P untuk Anda.

Tambahan:

Seberapa cepat Anda ingin FET untuk beralih? Setiap kali seseorang menyalakan atau mematikan, itu akan menghilangkan denyut nadi energi selama transisi, dan semakin pendek Anda bisa membuatnya, semakin baik. Denyut ini, dikalikan dengan frekuensi siklus PWM, adalah salah satu komponen daya rata-rata yang perlu dihilangkan FET - seringkali merupakan komponen dominan. Komponen lain termasuk daya di-negara (I _D ² × R _{DS (ON)} dikalikan dengan siklus tugas PWM) dan setiap energi yang dibuang ke dioda tubuh dalam keadaan off.

Salah satu cara sederhana untuk memodelkan kerugian switching adalah dengan mengasumsikan bahwa kekuatan sesaat kira-kira adalah bentuk gelombang segitiga yang puncaknya (V _CC / 2) × (I _D / 2) dan yang basisnya sama dengan waktu transisi T _RISE atau T _FALL . Area dari dua segitiga ini adalah energi switching total yang hilang selama setiap siklus PWM penuh: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Kalikan ini dengan frekuensi siklus PWM untuk mendapatkan daya switching-loss rata-rata.

Hal utama yang mendominasi waktu naik dan turun adalah seberapa cepat Anda dapat memindahkan muatan gerbang ke dan dari gerbang MOSFET. MOSFET ukuran sedang yang khas mungkin memiliki total biaya gerbang pada urutan 50-100 nC. Jika Anda ingin memindahkan muatan itu, katakanlah, 1 μs, Anda memerlukan driver gerbang yang mampu setidaknya 50-100 mA. Jika Anda ingin beralih dua kali lebih cepat, Anda perlu dua kali arus.

Jika kami memasukkan semua angka untuk desain Anda, kami mendapatkan: 12V × 3A × 2µs / 8 × 32kHz = 0,288 W (per MOSFET). Jika kita berasumsi R _{DS (ON)} dari 20mΩ dan duty cycle 50%, maka saya ² kerugian R akan 3A ² × 0.02Ω × 0,5 = 90 mW (sekali lagi, per MOSFET). Bersama-sama, dua FET aktif pada saat tertentu akan menghabiskan daya sekitar 2/3 watt karena switching.

Pada akhirnya, ini merupakan kompromi antara seberapa efisien Anda ingin sirkuit menjadi dan berapa banyak usaha yang Anda ingin mengoptimalkannya.

Merupakan praktik yang sangat buruk untuk mengikat gerbang MOSFET bersama tanpa ada hambatan atau impedansi di antara mereka. Q5 dan Q3 diikat bersama tanpa pemisahan, serta Q2 dan Q6.

Jika Anda akhirnya mengendarai FET ini dengan susah payah (yang saya curigai akhirnya akan Anda lakukan), gerbang dapat berakhir berdering satu sama lain, yang menyebabkan transisi frekuensi nyala dan mematikan yang palsu. Yang terbaik untuk membagi resistansi gerbang yang dibutuhkan sama dan menempatkan satu resistor secara seri dengan masing-masing gerbang. Bahkan beberapa ohm sudah cukup. Atau, Anda bisa meletakkan manik ferit di salah satu dari dua gerbang.

Resistor pull-up untuk gerbang P-channel FET berada di urutan dua besar terlalu besar. Saya h-jembatan frekuensi rendah (<1 kHz) seperti ini berjalan dengan pull-up 220 ohm; Saya sekarang di 100 Ohm dan berfungsi dengan baik. Masalahnya adalah bahwa ini menyebabkan arus parasit yang signifikan melalui pull-up ketika menyalakan saluran-P, karena kehilangan satu watt penuh! Juga, resistor pull-up harus gemuk - saya sejajar beberapa 1/4 watt, dan saya menjalankan PWM sangat rendah, seperti 300 Hz.

Alasan mengapa ini penting adalah Anda harus mendorong banyak arus ke dalam gerbang untuk sementara waktu untuk mengaktifkan / menonaktifkan MOSFET sepenuhnya. Jika Anda membiarkannya dalam keadaan "di antara", resistensi akan cukup tinggi sehingga memanaskan perangkat dan dengan cepat membiarkan asap ajaib keluar.

Juga, resistor gerbang untuk kontrol PWM terlalu tinggi. Itu juga, harus di urutan 100 ohm atau kurang untuk mengendarainya cukup cepat. Jika Anda menjalankan PWM pada kilohertz atau lebih cepat, Anda memerlukan lebih banyak lagi, jadi pada saat itu, gunakan IC driver.

Saya prihatin dengan kenyataan bahwa Anda memiliki kedua sisi jembatan yang terhubung ke sinyal kontrol yang sama. Dengan penundaan tambahan yang dikenakan oleh buffer / inverter N-FET Anda, Anda bisa menggunakan FET atas dan bawah di satu sisi H-Bridge pada waktu yang bersamaan untuk periode waktu yang singkat. Ini dapat menyebabkan arus signifikan untuk menembak melalui setengah jembatan jembatan dan bahkan mungkin merusak FET daya Anda.

Saya akan menyediakan koneksi terpisah dari MCU Anda untuk keempat sinyal drive FET. Dengan cara ini Anda dapat merancang waktu mati antara mematikan FET sebelum beralih pada FET lain di sisi jembatan yang sama.

R1 dan R3 harus 80 atau 100 ohm .. dan Anda perlu menambahkan resistensi 1kohm tepat setelah R1 dan R3 untuk menariknya ke 0 setiap kali dimatikan untuk memastikannya benar-benar mati .. dan seperti Anda telah diberitahu jika Anda menggunakan driver MOSFET itu akan lebih baik dan lebih aman untuk controller..dan sisa rangkaian ok .. hal lain adalah untuk memeriksa lembar data MOSFET untuk memastikan bahwa waktu MOSFET menunda dan mematikan (dalam nano detik) untuk memeriksa apakah akan bekerja dengan frekuensi PWM yang Anda inginkan ..