Đây có phải là một thiết kế tốt cho MOSFET H-Bridge?

Tôi đã tìm kiếm xung quanh để cố gắng thiết kế một cây cầu H đơn giản nhưng hoạt động cho một động cơ xe RC (12V và 2 ~ 3A).

Cây cầu này sẽ được điều khiển từ một vi điều khiển và cần phải nhanh để hỗ trợ PWM. Vì vậy, dựa trên bài đọc của tôi, Power MOSFET là lựa chọn tốt nhất khi chuyển đổi nhanh và điện trở thấp. Vì vậy, tôi sẽ mua MOSFE công suất kênh P và N được đánh giá ở mức 24 V + và 6A +, Mức logic, có _DSon R thấp và chuyển đổi nhanh. Có điều gì khác mà tôi nên xem xét?

Ok như vậy đối với thiết kế cầu H: Vì MCU của tôi sẽ chạy ở mức 5V, sẽ có vấn đề với việc tắt MOSFET kênh P, vì V _gs cần phải ở mức 12V + để tắt hoàn toàn. Tôi thấy rằng nhiều trang web đang giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng bóng bán dẫn NPN để điều khiển FET kênh P. Tôi biết điều này sẽ hoạt động, tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi chậm của BJT sẽ chi phối FET chuyển đổi nhanh của tôi!

Vậy tại sao không sử dụng FET kênh N để lái FET kênh P như những gì tôi có trong thiết kế này?

Đây là thiết kế xấu hay sai? Có bất kỳ vấn đề mà tôi không nhìn thấy?

Ngoài ra, liệu các diode đảo ngược được xây dựng trong các FET này có đủ để xử lý tiếng ồn gây ra bởi việc dừng (hoặc có thể đảo ngược) tải cảm ứng của động cơ của tôi không? Hay tôi vẫn cần phải có một điốt flyback thực sự để bảo vệ mạch?

Để giải thích sơ đồ:

• Q3 & Q6 là các bóng bán dẫn kênh N bên thấp
• Q1 & Q4 là các bóng bán dẫn kênh P phía cao và Q2 & Q5 là các bóng bán dẫn kênh N điều khiển các kênh P đó (kéo điện áp xuống GND).
• R2 & R4 được kéo lên các điện trở để giữ cho kênh P tắt.
• R1 & R3 là các bộ giới hạn hiện tại để bảo vệ MCU, (không chắc chúng có cần thiết với MOSFET không, vì chúng không tạo ra nhiều dòng điện!)
• PWM 1 & 2 đến từ MCU 5V.
• V _cc là 12V

Tôi không chắc tại sao bạn nghĩ rằng các BJT chậm hơn đáng kể so với MOSFE công suất; Đó chắc chắn không phải là một đặc điểm vốn có. Nhưng không có gì sai khi sử dụng FET nếu đó là những gì bạn thích.

Và các cổng MOSFET thực sự cần một lượng đáng kể dòng điện, đặc biệt nếu bạn muốn chuyển đổi chúng nhanh chóng, để sạc và xả điện dung cổng - đôi khi lên đến một vài ampe! Điện trở cổng 10K của bạn sẽ làm chậm đáng kể quá trình chuyển đổi của bạn. Thông thường, bạn sẽ sử dụng các điện trở chỉ 100 hoặc hơn nối tiếp với các cổng, để ổn định.

Nếu bạn thực sự muốn chuyển đổi nhanh, bạn nên sử dụng IC điều khiển cổng có mục đích đặc biệt giữa đầu ra PWM của MCU và MOSFET điện. Ví dụ, Bộ chỉnh lưu quốc tế có một loạt chip trình điều khiển và có các phiên bản xử lý các chi tiết của ổ đĩa phía cao cho FET kênh P cho bạn.

Bổ sung:

Bạn muốn FET chuyển đổi nhanh như thế nào? Mỗi lần bật hoặc tắt, nó sẽ tiêu tan một xung năng lượng trong quá trình chuyển đổi, và bạn có thể thực hiện điều này càng ngắn thì càng tốt. Xung này, được nhân với tần số chu kỳ PWM, là một thành phần của công suất trung bình mà FET cần tiêu tan - thường là thành phần chi phối. Các thành phần khác bao gồm nguồn điện trạng thái (I _D ² × R _{DS (ON)} nhân với chu kỳ nhiệm vụ của PWM) và bất kỳ năng lượng nào được đổ vào diode cơ thể ở trạng thái tắt.

Một cách đơn giản để mô hình hóa tổn thất chuyển mạch là giả sử rằng công suất tức thời gần như là dạng sóng tam giác có đỉnh là (V _CC / 2) × (I _D / 2) và có cơ sở bằng với thời gian chuyển tiếp T _RISE hoặc T _FALL . Diện tích của hai hình tam giác này là tổng năng lượng chuyển mạch tiêu tán trong mỗi chu kỳ PWM đầy đủ: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Nhân số này với tần số chu kỳ PWM để có được công suất tổn thất chuyển mạch trung bình.

Điều chính chi phối thời gian tăng và giảm là bạn có thể di chuyển điện tích cổng vào và ra khỏi cổng MOSFET nhanh như thế nào. Một MOSFET cỡ trung bình điển hình có thể có tổng phí cổng theo thứ tự 50-100 nC. Nếu bạn muốn chuyển khoản phí đó vào, giả sử, 1, bạn cần một trình điều khiển cổng có khả năng ít nhất 50-100 mA. Nếu bạn muốn nó chuyển đổi nhanh gấp đôi, bạn cần gấp đôi hiện tại.

Nếu chúng tôi cắm tất cả các số cho thiết kế của bạn, chúng tôi sẽ nhận được: 12V × 3A × 2 cách / 8 × 32kHz = 0.288 W (mỗi MOSFET). Nếu chúng ta giả sử R _{DS (ON)} là 20mΩ và chu kỳ nhiệm vụ là 50%, thì tổn thất I ² R sẽ là 3A ² × 0,02Ω × 0,5 = 90 mW (một lần nữa, trên mỗi MOSFET). Cùng với nhau, hai FET đang hoạt động tại bất kỳ thời điểm nào sẽ tiêu tan khoảng 2/3 watt năng lượng vì chuyển đổi.

Cuối cùng, đó là một sự đánh đổi giữa hiệu quả mà bạn muốn mạch hoạt động và mức độ nỗ lực mà bạn muốn đưa vào để tối ưu hóa nó.

Đó là một thực tế cực kỳ tồi tệ để buộc các cổng MOSFET lại với nhau mà không có một số trở kháng hoặc trở kháng giữa chúng. Q5 và Q3 được gắn với nhau mà không có bất kỳ sự tách biệt, cũng như Q2 và Q6.

Nếu bạn kết thúc việc điều khiển các FET này một cách khó khăn (mà tôi nghi ngờ là bạn sẽ kết thúc), các cổng có thể kết nối với nhau, gây ra các chuyển đổi bật tắt và tần số cao (MHz) khó chịu. Tốt nhất nên chia điện trở cổng cần thiết bằng nhau và đặt một điện trở nối tiếp với mỗi cổng. Thậm chí một vài ohms là đủ. Hoặc, bạn có thể đặt một hạt ferrite trên một trong hai cổng.

Các điện trở kéo lên cho cổng của FET kênh P theo thứ tự hai cường độ quá lớn. Tôi đã thổi một cây cầu H tần số thấp (<1 kHz) như thế này khi chạy với lực kéo 220 ohm; Bây giờ tôi đang ở mức 100 Ohms và nó hoạt động tốt. Vấn đề là điều này gây ra dòng ký sinh đáng kể thông qua việc kéo lên khi bật kênh P, vì mất một watt đầy đủ! Ngoài ra, điện trở kéo lên cần phải hoạt động mạnh mẽ - Tôi đã song song với công suất 1/4 watt và tôi chạy PWM khá thấp, như 300 Hz.

Lý do vấn đề này là bạn cần phải đẩy rất nhiều dòng điện vào cổng trong một thời gian rất ngắn để bật / tắt hoàn toàn MOSFET. Nếu bạn để nó ở trạng thái "ở giữa", lực cản sẽ đủ cao để làm nóng thiết bị và nhanh chóng cho phép ma thuật bốc khói.

Ngoài ra, điện trở cổng cho các điều khiển PWM là quá cao. Nó cũng vậy, cần phải theo thứ tự 100 ohms hoặc ít hơn để lái nó đủ nhanh. Nếu bạn chạy PWM ở tốc độ kilohertz hoặc nhanh hơn, bạn cần nhiều hơn nữa, vì vậy tại thời điểm đó, hãy tìm IC điều khiển.

Tôi có một số lo ngại với thực tế là bạn có cả hai mặt của cây cầu được kết nối với cùng một tín hiệu điều khiển. Với độ trễ bổ sung được áp đặt bởi bộ đệm / bộ biến tần N-FET của bạn, bạn có thể có cả FET trên và dưới ở một bên của Cầu H cùng một lúc trong thời gian ngắn. Điều này có thể gây ra dòng điện đáng kể bắn qua nửa chân cầu và thậm chí có thể làm hỏng FET sức mạnh của bạn.

Tôi sẽ cung cấp các kết nối riêng từ MCU của bạn cho cả bốn tín hiệu ổ FET. Bằng cách này, bạn có thể thiết kế để có một khoảng thời gian chết giữa việc tắt FET trước khi bật FET khác ở cùng phía của cây cầu.

R1 và R3 phải là 80 hoặc 100 ohm .. và bạn cần thêm lực cản 1kohm ngay sau khi R1 và R3 kéo nó về 0 bất cứ khi nào nó tắt để đảm bảo tắt hoàn toàn..và như bạn đã được thông báo nếu bạn sử dụng Trình điều khiển mosfet sẽ tốt hơn và an toàn hơn cho bộ điều khiển..và phần còn lại của mạch vẫn ổn .. một điều nữa là kiểm tra bảng dữ liệu mosfet để đảm bảo rằng thời gian trễ của mosfet bật và tắt (tính bằng nano giây) để kiểm tra xem nó có hoạt động không làm việc với tần số mong muốn pwm của bạn ..