Ist das ein gutes Design für MOSFET H-Bridge?

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Ich habe mich umgesehen und versucht, eine einfache, aber funktionierende H-Brücke für einen RC-Automotor (12 V und 2 ~ 3A) zu entwerfen.

Diese Brücke wird von einem Mikrocontroller gesteuert und muss schnell sein, um PWM zu unterstützen. Aufgrund meiner Messwerte sind Power MOSFETs die beste Wahl, wenn es um schnelles Schalten und niedrigen Widerstand geht. Daher werde ich P- und N-Kanal-Leistungs-MOSFETs kaufen, die für 24 V + und 6 A +, Logikpegel , niedrige R DSon und schnelles Schalten ausgelegt sind. Gibt es noch etwas, das ich beachten sollte?

Ok, weiter zum Design der H-Brücke: Da meine MCU mit 5 V betrieben wird, gibt es ein Problem beim Ausschalten des P-Kanal-MOSFET, da V gs auf 12 V + eingestellt sein muss, um vollständig auszuschalten. Ich sehe, dass viele Websites dieses Problem lösen, indem sie einen NPN-Transistor verwenden, um den P-Kanal-FET anzusteuern. Ich weiß, dass dies funktionieren sollte, jedoch wird die langsame Schaltgeschwindigkeit des BJT meinen schnell schaltenden FET dominieren!

Warum also nicht einen N-Kanal-FET verwenden, um den P-Kanal-FET so anzusteuern, wie ich es in diesem Design habe?

Schema

Ist das schlecht oder falsch? Gibt es ein Problem, das ich nicht sehe?

Wird die in diesen FET eingebaute Sperrdiode auch ausreichen, um das Rauschen zu bewältigen, das durch das Stoppen (oder Umkehren) der induktiven Last meines Motors verursacht wird? Oder brauche ich noch echte Flyback-Dioden, um die Schaltung zu schützen?

So erklären Sie den Schaltplan:

  • Q3 und Q6 sind die Low-Side-N-Kanal-Transistoren
  • Q1 und Q4 sind die High-Side-P-Kanal-Transistoren, und Q2 und Q5 sind die N-Kanal-Transistoren, die diese P-Kanäle ansteuern (Spannung nach unten auf GND ziehen).
  • R2 und R4 sind Pull-Up-Widerstände, um den P-Kanal ausgeschaltet zu halten.
  • R1 & R3 sind Strombegrenzer zum Schutz der MCU (nicht sicher, ob sie mit MOSFETs benötigt werden, da sie nicht viel Strom verbrauchen!)
  • PWM 1 & 2 kommen von einer 5V MCU.
  • V cc ist 12V
microcontroller mosfet pwm h-bridge Fahad Alduraibi
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Ihr Beitrag wäre ohne Ihre Entschuldigung für den langen Beitrag kürzer gewesen, so dass die Entschuldigung nicht notwendig wäre :-)
stevenvh
Reichen die 5 V von Ihrem Controller aus, um die Leistungs-MOSFETs wirklich einzuschalten? Und die 10k-Basiswiderstände scheinen mir sehr hoch, wenn Sie PWM wollen!
Wouter van Ooijen
@Wouter van Ooijen, ich weiß es wirklich nicht, ich bin neu in all dem und versuche, eine einfache Schaltung zu erstellen und die Verwendung von H-Brücken-ICs zu vermeiden, da die meisten so viele andere diskrete Teile benötigen, insbesondere, wenn sie etwas zur Unterstützung von 6A + benötigen. Für den Widerstand, wie unten vorgeschlagen, verwende ich stattdessen 100Ω.
Fahad Alduraibi
@FAD Sie haben gefragt, ob diese Schaltung in Ordnung ist, aber Sie haben nicht erwähnt, welche Typ-FETs Sie verwenden möchten. Alles, was ich tun kann, ist auf ein potenzielles Problem hinzuweisen. Sie müssen das Datenblatt der N FETs überprüfen, um zu überprüfen, ob sie wirklich am ~ 5-V-Ausgang Ihres Mikrocontrollers einschalten.
Wouter van Ooijen
@Wouter van Ooijen, fast alle Logikpegel-N-FETs, die ich angeschaut habe, schalten sich bei oder sogar unter 5 V ein, manche erreichen nur 2,7 V, aber mit einigen Einschränkungen.
Fahad Alduraibi

Antworten:

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Ich bin mir nicht sicher, warum Sie glauben, dass BJTs wesentlich langsamer sind als Leistungs-MOSFETs. Das ist sicherlich kein inhärentes Merkmal. Aber es ist nichts Falsches an der Verwendung von FETs, wenn Sie dies bevorzugen.

Und MOSFET-Gates benötigen in der Tat erhebliche Strommengen, insbesondere, wenn Sie sie schnell schalten möchten, um die Gate-Kapazität zu laden und zu entladen - manchmal bis zu einigen Ampere! Ihre 10K-Gate-Widerstände werden Ihre Übergänge erheblich verlangsamen. Normalerweise verwenden Sie Widerstände von etwa 100 Ω in Reihe mit den Gates, um die Stabilität zu gewährleisten.

Wenn Sie wirklich schnell schalten möchten, sollten Sie spezielle Gate-Treiber-ICs zwischen dem PWM-Ausgang der MCU und den Leistungs-MOSFETs verwenden. Beispielsweise verfügt International Rectifier über eine breite Palette von Treiberchips, und es gibt Versionen, die die Details des High-Side-Laufwerks für die P-Kanal-FETs für Sie handhaben.

Zusätzlich:

Wie schnell sollen die FETs schalten? Bei jedem Ein- oder Ausschalten wird ein Energieimpuls während des Übergangs abgegeben. Je kürzer Sie diesen Wert einstellen können, desto besser. Dieser Impuls, multipliziert mit der PWM-Zyklusfrequenz, ist eine Komponente der Durchschnittsleistung, die der FET zum Ableiten benötigt - häufig die dominierende Komponente. Andere Komponenten umfassen die Ein-Zustand Leistung (I D 2 × R DS (ON) , multipliziert mit dem PWM duty cycle) und jeder Energie in die Body - Diode in dem Aus - Zustand gekippt.

Ein einfacher Weg, die Schaltverluste zu modellieren, besteht darin, anzunehmen, dass die Momentanleistung ungefähr eine dreieckige Wellenform ist, deren Spitze (V CC / 2) × ( ID / 2) ist und deren Basis gleich der Übergangszeit T RISE oder T FALL ist . Die Fläche dieser beiden Dreiecke ist die während jedes vollständigen PWM-Zyklus verbrauchte Gesamtschalteenergie: (T RISE + T FALL ) × V CC × ID / 8. Multiplizieren Sie dies mit der PWM-Zyklusfrequenz, um die durchschnittliche Schaltverlustleistung zu erhalten.

Die Hauptsache, die die Anstiegs- und Abfallzeiten dominiert, ist, wie schnell Sie die Gateladung auf dem Gate des MOSFET hin und her bewegen können. Ein typischer MOSFET mittlerer Größe weist möglicherweise eine Gate-Gesamtladung in der Größenordnung von 50-100 nC auf. Wenn Sie diese Ladung in z. B. 1 µs verschieben möchten, benötigen Sie einen Gate-Treiber mit einer Kapazität von mindestens 50-100 mA. Wenn Sie möchten, dass es doppelt so schnell schaltet, benötigen Sie den doppelten Strom.

Wenn wir alle Zahlen für Ihr Design einstecken, erhalten wir: 12V × 3A × 2µs / 8 × 32kHz = 0,288 W (pro MOSFET). Wenn wir einen RDS (ON) von 20 mΩ und ein Tastverhältnis von 50% annehmen, betragen die I 2 R-Verluste 3A 2 × 0,02Ω × 0,5 = 90 mW (wiederum pro MOSFET). Zusammen werden die beiden aktiven FETs zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgrund des Schaltens ungefähr 2/3 Watt Leistung verbrauchen.

Letztendlich ist es ein Kompromiss zwischen der Effizienz der Schaltung und dem Aufwand, den Sie in die Optimierung stecken möchten.

Dave Tweed
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Vielen Dank für die Antwort: - Korrigieren Sie mich, wenn ich mich irre, aber basierend auf dem, was ich in den Datenblättern gesehen habe, haben die als schnell schaltenden BJTs Schaltwerte in Mikrosekunden, während Mosfets in 10s von Nanosekunden sind (es könnten einige sein) dass ich nicht gesehen habe, was so schnell sein könnte). Für die Widerstände verwende ich 100Ω danke. Was wird als schnelles Umschalten angesehen, für das möglicherweise Gate-Treiber erforderlich sind? ich kann die PWM-Geschwindigkeit in meinem mcu von den Standardwerten 32K auf niedrigere Werte wie 10k oder 1k ändern.
Fahad Alduraibi
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Ich weiß nicht, welche BJTs Sie sich angesehen haben. Sogar die Jellybean 2N3904 hat Anstiegs- / Abfall- / Verzögerungszeiten in der Größenordnung von 35-50 ns.
Dave Tweed
Können Sie andere schnelle BJTs vorschlagen, die ~ 6A verarbeiten können?
Fahad Alduraibi
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Im Zusammenhang mit Ihrer ursprünglichen Frage hatten Sie Einwände gegen die Verwendung eines NPN-Transistors zur Ansteuerung des PFET. Ich sage nur, dass so etwas wie ein 2N3904 in Ordnung wäre.
Dave Tweed
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Einschaltstrom: 0,5 × ID ^ 2 × RDS (EIN) Warum die 0,5?
m.Alin
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Es ist eine äußerst schlechte Praxis, MOSFET-Gates ohne Widerstand oder Impedanz miteinander zu verbinden. Q5 und Q3 sowie Q2 und Q6 sind ohne Trennung miteinander verbunden.

Wenn Sie am Ende diese FETs hart antreiben (was Sie vermutlich auch tun werden), können die Gates miteinander klingeln und unangenehme, störende Hochfrequenz- (MHz-) Ein- und Ausschaltübergänge verursachen. Es ist am besten, den benötigten Gate-Widerstand gleichmäßig zu teilen und einen Widerstand in Reihe mit jedem Gate zu schalten. Schon ein paar Ohm reichen aus. Oder Sie können eine Ferritperle auf eines der beiden Tore legen.

Adam Lawrence
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Vielen Dank für den Hinweis, ich werde kleine Widerstände in Reihe mit Q2, Q3, Q5 und Q6 schalten. Und ich gehe davon aus, dass R1 und R3 nicht mehr benötigt werden.
Fahad Alduraibi
Richtig. Welchen Gate-Widerstand Sie auch verwenden möchten, duplizieren Sie ihn und schalten Sie einen mit jedem Gate in Reihe.
Adam Lawrence
Dieser Hinweis ist für den Fall einer H-Brücke eigentlich falsch. Bei einer H-Brücke benötigen Sie keine zusätzlichen Widerstände. Stattdessen möchten Sie sicherstellen, dass Sie das Durchschießen kontrollieren, indem Sie das obere Ende ausschalten, bevor Sie das untere Ende für eine kurze Zeit
einschalten
@ JonWatte Das High-Side- und Low-Side-Timing ist für die Steuerung des Shoot-Through von entscheidender Bedeutung. Parallel geschaltete MOSFETs müssen jedoch immer getrennt werden, um ein Überschwingen zu vermeiden.
Adam Lawrence
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Warum die Gegenstimme? Mein Hinweis zum Klingeln ist gültig, unabhängig davon, ob Sie im Shoot-Through-Modus entwerfen oder nicht. Wenn die Gates miteinander klingeln, verhalten sie sich trotz Ihres Steuereingangs (dem Gate-Ansteuersignal), was ungeachtet dessen, was Sie steuern, eine schlechte Nachricht ist!
Adam Lawrence
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Die Pull-up-Widerstände für das Gate der P-Kanal-FETs sind in der Größenordnung von zwei Größenordnungen zu groß. Ich habe eine niederfrequente (<1 kHz) H-Brücke wie diese geblasen, die mit einem 220-Ohm-Pull-up läuft. Ich bin jetzt bei 100 Ohm und es funktioniert OK. Das Problem ist, dass dies beim Einschalten des P-Kanals einen erheblichen parasitären Strom durch den Pull-up verursacht, was zu einem Verlust von vollem Watt führt! Außerdem muss der Pull-up-Widerstand kräftig sein - ich habe ungefähr 1/4 Watt parallel geschaltet und die PWM ist mit 300 Hz ziemlich niedrig.

Der Grund dafür ist, dass Sie für eine sehr kurze Zeit viel Strom in das Gate schieben müssen, um den MOSFET vollständig ein- und auszuschalten. Wenn Sie es im "Zwischen" -Zustand belassen, wird der Widerstand hoch genug sein, um das Gerät zu erwärmen und die Magie ziemlich schnell herausrauchen zu lassen.

Auch der Gatewiderstand für die PWM-Steuerung ist viel zu hoch. Es muss auch in der Größenordnung von 100 Ohm oder weniger liegen, um es schnell genug anzutreiben. Wenn Sie PWM mit Kilohertz oder schneller ausführen, benötigen Sie sogar noch mehr. Entscheiden Sie sich an diesem Punkt für einen Treiber-IC.

Jon Watte
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= 1 es ist gut, dass jemand merkt, dass die Schaltung selbst für Hobby-Verhältnisse Müll ist.
Autistic
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Ich habe Bedenken, dass beide Seiten der Brücke mit denselben Steuersignalen verbunden sind. Mit der zusätzlichen Verzögerung, die durch Ihren N-FET-Puffer / Ihre N-FET-Inverter verursacht wird, können Sie sowohl den oberen als auch den unteren FET auf einer Seite der H-Brücke für kurze Zeit gleichzeitig einschalten. Dadurch kann ein erheblicher Strom durch das Halbbrückenbein fließen und möglicherweise sogar Ihre Leistungs-FETs beschädigen.

Ich würde separate Verbindungen von Ihrer MCU für alle vier FET-Treibersignale bereitstellen. Auf diese Weise können Sie festlegen, dass zwischen dem Ausschalten eines FET und dem Einschalten des anderen FET auf derselben Seite der Brücke eine Totzeit liegt.

Michael Karas
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Ich habe dies bereits im Kopf und plane, eine kleine Verzögerung von der MCU einzuführen, um beide Eingänge auszuschalten (GND), bevor die Richtung umgekehrt wird.
Fahad Alduraibi
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R1 und R3 müssen 80 oder 100 Ohm sein, und Sie müssen den Widerstand direkt nach R1 und R3 um 1 kOhm verringern, um ihn bei jedem Ausschalten auf 0 zu setzen, um sicherzustellen, dass er vollständig ausgeschaltet ist mosfet driver es ist besser und sicherer für den controller..und der rest der schaltung ist in ordnung .. eine andere sache ist das überprüfen des mosfets datenblatts, um sicherzustellen, dass die mosfet zeitverzögerung ein- und ausgeschaltet ist (in nano sekunden), um zu überprüfen, ob dies der fall ist arbeite mit der von dir gewünschten Frequenz

Jad Abboud
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