¿Es este un buen diseño para MOSFET H-Bridge?

He estado mirando alrededor tratando de diseñar un puente H simple pero funcional para un motor de automóvil RC (12V y 2 ~ 3A).

Este puente será impulsado desde un microcontrolador y debe ser rápido para admitir PWM. Entonces, según mis lecturas, Power MOSFET es la mejor opción cuando se trata de conmutación rápida y baja resistencia. Así que voy a comprar MOSFET de potencia de canal P y N que están clasificados en 24V + y 6A +, nivel lógico, tienen bajo _DSon R y conmutación rápida. ¿Hay algo más que deba considerar?

De acuerdo con el diseño del puente H: dado que mi MCU se ejecutará a 5V, habrá un problema al apagar el MOSFET del canal P, ya que V _gs debe estar a 12V + para apagarse por completo. Veo que muchos sitios web están resolviendo este problema utilizando un transistor NPN para controlar el FET del canal P. Sé que esto debería funcionar, sin embargo, ¡la velocidad de conmutación lenta del BJT dominará mi FET de conmutación rápida!

Entonces, ¿por qué no usar un FET de canal N para conducir el FET de canal P como lo que tengo en este diseño?

¿Es este diseño malo o incorrecto? ¿Hay algún problema que no esté viendo?

Además, ¿será suficiente el diodo invertido construido en estos FET para manejar el ruido que se produce al detener (o tal vez invertir) la carga inductiva de mi motor? ¿O todavía necesito tener un diodo de retorno real para proteger el circuito?

Para explicar el esquema:

• Q3 y Q6 son los transistores de canal N del lado bajo
• Q1 y Q4 son los transistores del canal P del lado alto, y Q2 y Q5 son los transistores del canal N que controlan esos canales P (reducen el voltaje a GND).
• R2 y R4 son resistencias pull up para mantener el canal P apagado.
• R1 y R3 son limitadores de corriente para proteger la MCU (¡no estoy seguro si son necesarios con MOSFET, ya que no consumen mucha corriente!)
• PWM 1 y 2 provienen de una MCU de 5V.
• V _cc es 12V

No estoy seguro de por qué crees que los BJT son significativamente más lentos que los MOSFET de potencia; eso ciertamente no es una característica inherente. Pero no hay nada de malo en usar FET si eso es lo que prefieres.

Y las compuertas MOSFET realmente necesitan cantidades significativas de corriente, especialmente si desea cambiarlas rápidamente, para cargar y descargar la capacitancia de la compuerta, ¡a veces hasta unos pocos amperios! Sus resistencias de compuerta de 10K ralentizarán significativamente sus transiciones. Normalmente, usaría resistencias de solo 100Ω más o menos en serie con las compuertas, para estabilidad.

Si realmente desea una conmutación rápida, debe usar circuitos integrados de controlador de puerta de propósito especial entre la salida PWM de la MCU y los MOSFET de potencia. Por ejemplo, International Rectifier tiene una amplia gama de chips de controlador, y hay versiones que manejan los detalles de la unidad de lado alto para los FET de canal P para usted.

Adicional:

¿Qué tan rápido quieres que cambien los FET? Cada vez que uno se enciende o apaga, se va a disipar un pulso de energía durante la transición, y cuanto más corto sea, mejor. Este pulso, multiplicado por la frecuencia del ciclo PWM, es un componente de la potencia promedio que el FET necesita disipar, a menudo el componente dominante. Otros componentes incluyen la energía en estado _activado (I _D ² × R _{DS (ON)} multiplicada por el ciclo de trabajo PWM) y cualquier energía descargada en el diodo del cuerpo en el estado apagado.

Una manera simple de modelar las pérdidas de conmutación es asumir que la potencia instantánea es aproximadamente una forma de onda triangular cuyo pico es (V _CC / 2) × (I _D / 2) y cuya base es igual al tiempo de transición T _RISE o T _FALL . El área de estos dos triángulos es la energía de conmutación total disipada durante cada ciclo PWM completo: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Multiplique esto por la frecuencia del ciclo PWM para obtener la potencia de pérdida de conmutación promedio.

Lo principal que domina los tiempos de subida y bajada es qué tan rápido puede mover la carga de la puerta dentro y fuera de la puerta del MOSFET. Un MOSFET típico de tamaño mediano podría tener una carga de puerta total del orden de 50-100 nC. Si desea mover esa carga, digamos, 1 µs, necesita un controlador de puerta capaz de al menos 50-100 mA. Si desea que cambie el doble de rápido, necesita el doble de la corriente.

Si conectamos todos los números para su diseño, obtenemos: 12V × 3A × 2µs / 8 × 32kHz = 0.288 W (por MOSFET). Si suponemos R _{DS (ON)} de 20mΩ y un ciclo de trabajo del 50%, entonces las pérdidas I ² R serán 3A ² × 0.02Ω × 0.5 = 90 mW (nuevamente, por MOSFET). Juntos, los dos FET activos en cualquier momento dado se van a disipar aproximadamente 2/3 vatios de potencia debido a la conmutación.

En última instancia, es una compensación entre lo eficiente que desea que sea el circuito y cuánto esfuerzo desea poner en optimizarlo.

Es una práctica extremadamente mala atar las puertas MOSFET juntas sin cierta resistencia o impedancia entre ellas. Q5 y Q3 están unidos sin ninguna separación, así como Q2 y Q6.

Si termina manejando estos FET con fuerza (lo que sospecho que terminará haciendo), las puertas pueden terminar sonando entre sí, causando desagradables transiciones espurias de encendido y apagado espurios de alta frecuencia (MHz). Es mejor dividir la resistencia de compuerta necesaria por igual y poner una resistencia en serie con cada compuerta. Incluso unos pocos ohmios son suficientes. O bien, podría poner una cuenta de ferrita en una de las dos puertas.

Las resistencias pull-up para la puerta de los FET del canal P son del orden de dos magnitudes demasiado grandes. Soplé un puente H de baja frecuencia (<1 kHz) como este corriendo con un pull-up de 220 ohmios; Ahora estoy a 100 ohmios y funciona bien. El problema es que esto causa una corriente parasitaria significativa a través del pull-up cuando se enciende el canal P, ¡con una pérdida de un vatio completo! Además, la resistencia pull-up debe ser robusta: hice un paralelo de unos 1/4 vatios y ejecuté el PWM bastante bajo, como 300 Hz.

La razón por la que esto es importante es que necesita empujar mucha corriente hacia la puerta durante un tiempo muy breve para encender / apagar completamente el MOSFET. Si lo deja en el estado "intermedio", la resistencia será lo suficientemente alta como para calentar el dispositivo y dejar que la magia se escape rápidamente.

Además, la resistencia de compuerta para los controles PWM es demasiado alta. También debe estar en el orden de 100 ohmios o menos para conducirlo lo suficientemente rápido. Si ejecuta PWM a kilohercios o más rápido, necesita aún más, así que en ese momento, elija un IC de controlador.

Me preocupa el hecho de que tenga ambos lados del puente conectados a las mismas señales de control. Con la demora adicional impuesta por sus amortiguadores / inversores N-FET, podría tener los FET superiores e inferiores en un lado del Puente H al mismo tiempo por cortos períodos de tiempo. Esto puede provocar que una corriente significativa se dispare a través de la pierna del medio puente y posiblemente incluso dañe sus FET de potencia.

Proporcionaría conexiones separadas desde su MCU para las cuatro señales de la unidad FET. De esta manera, puede diseñar para que haya un tiempo muerto entre apagar un FET antes de encender el otro FET en el mismo lado del puente.

R1 y R3 deben ser de 80 o 100 ohmios ... y debe agregar resistencia de extracción de 1kohm justo después de R1 y R3 para colocarlo en 0 cada vez que esté apagado para asegurarse de que esté completamente apagado ... y como le han dicho si usa el controlador de mosfet será mejor y más seguro para el controlador ... y el resto del circuito está bien ... otra cosa es verificar la hoja de datos de mosfets para asegurarse de que el tiempo de mosfet se active y desactive (en nano segundos) para verificar si funcionará trabaje con su frecuencia deseada pwm ..