Direkt treibende 5-V-Source-MOSFET-H-Brücke mit 3,3-V-Logik

Ich versuche, für mein Projekt eine H-Brückenschaltung zu entwerfen, um einen thermoelektrischen Kühler (TEC) anzutreiben. Grundsätzlich versuche ich, den TEC mit einer PWM-gesteuerten Spannungsquelle zu steuern.

Jetzt ist das Problem, dass ich eine 5-V-Gleichstromquelle habe, aber mein Mikrocontroller ( ESP8266 ) verwendet eine 3,3-V-Logik. Da der Platz für Bauteile begrenzt ist, möchte ich den MOSFET direkt vom Mikrocontroller ansteuern.

Ich habe eine Schaltung gebaut, die auf einigen Dingen basiert, die ich im Internet gefunden habe, bin mir aber nicht ganz sicher, ob sie richtig ist. Der von mir verwendete TEC soll bei 1,7 V (maximal) bis zu 1 A ziehen. Die MOSFETS, die ich verwende, sind ROHM RZR040P01TL (p-Typ) und RUR040N02TL (n-Typ), die für 4 A ausgelegt sind, Vgs (th) ~ = 1,3 V und eingebaute GS-Schutzdioden haben.

  1. Da ich noch nie eine H-Brücke entworfen habe, wäre meine erste Frage zum Design. Sieht es nach etwas aus, das funktionieren würde, oder fehlt mir hier etwas?
  2. Als ich das PWM-Signal über Null erhöhte, kam ein hohes Rauschen von den MOSFETs. Ist das zu erwarten oder deutet das auf ein Problem in der Schaltung hin?

Ich habe versucht, PWM mit niedrigem Tastverhältnis vom Mikrocontroller (1-10%) zu senden, was gut zu funktionieren schien - während die MOSFETs noch summten, funktionierte der TEC gut und an den Anschlüssen lag eine Spannung von etwa 0,4 V (was Sie tun würden erwarten). Als ich jedoch die Einschaltdauer auf 20 % erhöhte, flog einer der N-Typ-MOSFETs durch.

Ich vermute, dass dies entweder passiert ist, weil der MOSFET überhitzt ist oder weil ich in meinem Schaltungsdesign etwas schrecklich falsch gemacht habe.

Ich würde mich über einige Ratschläge zum Bau von MOSFET-H-Brückenschaltungen im Allgemeinen sowie über einige spezifische Empfehlungen für dieses spezielle Design freuen.

Original Design

Aktualisierung Nr. 1:

Ich habe die Schaltung neu gestaltet, um jeden MOSFET-Schalter separat zu haben, wie von @WhatRoughBeast vorgeschlagen. Ich habe auch zwei N-Typ-MOSFETs hinzugefügt, um die P-Typ-Gatter zu steuern, die das Spannungsdifferenzproblem lösen sollten. Dies scheint das Rauschproblem gelöst zu haben - jetzt erscheint das Summen nur noch, wenn ich die Schaltfrequenz auf 5 kHz oder weniger reduziere.

In der aktuellen Konfiguration versuche ich, die Richtung und Spannung zu steuern durch:

  • mit B1 und B2 auf LOW, A2 auf HIGH und PWM-Steuerung von A1

  • mit A1 und A2 auf LOW, B1 auf HIGH und PWM-Steuerung von B2

Während die MOSFETs jetzt zu funktionieren scheinen (wie nicht überhitzen und explodieren), habe ich anscheinend ein anderes Problem - mit einer 5-V-Versorgung erhält der TEG immer die vollen 4,5 V (mit 10-20 kHz), unabhängig davon, welchen PWM-Arbeitszyklus ich verwende. .

Schaltung neu gestaltet

Erste Frage: was machst du mit dem Tec, dass du Strom in beide Richtungen brauchst? Versuchen Sie, sowohl zu heizen als auch zu kühlen?
Zweite Frage: Braucht man diese Tiefpassfilter wirklich? Ihre MosFETs werden die induktiven Spitzen, die sie verursachen, nicht mögen.
Dritte Frage: Haben Sie die Schaltzeiten dieser MosFETs analysiert? Gibt es die Möglichkeit des Durchschießens? Das wird einen FET töten, bevor Sie sagen können: "Wie soll ich diese Gates wirklich steuern?".
Hallo Mark. Ja, ich baue einen Temperaturregler, der sowohl heizen als auch kühlen können soll. In Bezug auf den LC-Filter habe ich einen Beitrag zum Ansteuern von TECs mit PWM gesehen, und es wurde dringend empfohlen, einen Tiefpass hinzuzufügen, um das PWM-Signal zu filtern. Ich denke, sie könnten entfernt werden, wenn ich schnell genug umschalte. Möglicherweise gab es einen Durchschuss. Ich habe es jedoch genau wie von WhatRoughBeast vorgeschlagen umgestaltet und habe jetzt nur ein Gate, das PWM-gesteuert ist.

Antworten (3)

Sie müssen diese Art von Brücke mit mindestens 5 V ansteuern (oder nahe 4,7 V garantieren gemäß Datenblatt weniger als 1 mA Leitung ) .

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

So wie Sie es haben, ist der N-Kanal-MOSFET bei 3,3 V an einem Eingang der Brücke eingeschaltet, aber der P-Kanal ist bei einer Nennansteuerung von 1,7 V ebenfalls ziemlich eingeschaltet und leitet normalerweise mehrere Ampere Strom, der es oder den N-Kanal oder beides braten wird, je nachdem.

Sie können einen Spannungsübersetzer oder einen MOSFET-Treiber verwenden. Letzteres ist in der Lage, viel mehr Antriebsstrom zu liefern und führt zu einer geringeren Erwärmung, kostet aber mehr.

Danke für den Einblick @Spehro. Irgendwie muss ich mich beim Betrachten der Specs in meinen Berechnungen vertan haben. Ich habe nachgedacht und festgestellt, dass es möglich sein sollte, die übrig gebliebenen MOSFETs vom N-Typ zu verwenden, die ich zum Bau eines Schalters der zweiten Schicht habe. imgur.com/Ao5RcxI

Eine andere Möglichkeit, dies zu betrachten, besteht darin, zu sehen, was mit den Transistoren passiert, wenn die Gate-Spannung von null auf 5 Volt geht. Spehro hat auf dem Datenblatt auf die entsprechende Einstufung hingewiesen.

Wenn die Spannung weniger als 0,3 Volt beträgt, ist der p-Typ eingeschaltet (Gate-Source-Spannung 4,7 oder mehr) und der n-Typ ist ausgeschaltet. Bei Spannungen über 4,7 ist der p-Typ ausgeschaltet und der n-Typ eingeschaltet. Bei einer Spannung über 0,3 und unter 4,7 sind beide Transistoren eingeschaltet, und der eine oder andere wird sehr heiß. Dies setzt natürlich voraus, dass Sie die minimale Vgsth verwenden. Da dies für 1 mA angegeben ist, ist dies sehr konservativ, aber es ist ziemlich klar, dass die Verwendung von 1 Volt Sie in Schwierigkeiten bringen wird. Der Zustand, in dem beide FETs gleichzeitig eingeschaltet sind, wird aus offensichtlichen Gründen als "Durchschießen" bezeichnet.

Sie haben zwei mögliche Routen zu gehen. Das erste ist, einen Gate-Treiber zu bekommen. Dies wird sehr schnell durch Ihre Gefahrenzone wechseln, und der Durchschuss dauert nur wenige 10 Nanosekunden.

Die andere Möglichkeit besteht darin, die beiden Gate-Ansteuerungen zeitlich zu versetzen, so dass immer nur eine angesteuert wird. Dies ist oft in integrierte Brücken und Brückentreiber eingebaut. Es wird viel mehr Nachdenken und Mühe erfordern, als es so zu tun, wie Sie es jetzt tun.

Der einfachste Weg, die Gate-Spannungen zu staffeln, ist eine unidirektionale RCD-Verzögerungsschaltung mit einer bescheidenen NAND-Logik. Zwei Logikgatter für die positive Seite und eines für die negative Seite, wenn Sie für beide dasselbe PWM-Signal verwenden möchten.

Es gibt alternative Möglichkeiten, dies zu tun. Im Moment haben Sie zwei Sync-Buck-Schaltungen. Sie könnten dies durch einen einzelnen Buck-Controller ersetzen, der nicht synchron bei 1A-Ausgang sein muss. Darüber hinaus benötigen Sie einen Satz Mosfets, die die TEC-Polarität umkehren können. Im Wesentlichen ein Paar N-MOSFETs, die + mit 1,7 V und - mit GND verbinden. Und ein zweites Paar, das + mit GND und - mit +1,7 V verbindet.

Dies ist wahrscheinlich einfacher durchzuführen als zwei separate Syncbuck-Schaltungen, da Sie nur ein PWM-Signal und zwei Ein / Aus-Signale mit Open-Collector-NPN-Transistor benötigen, damit die oberen Mosfets die volle +5-V-Gate-Spannung haben. 1,7 + 1,3 = 3 V, aber mit 5 V ist es fest im Sättigungsbereich mit minimalem RDS an.

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