H-Brückentreiber

Ich arbeite gerade an einem Hobbyprojekt. Ich habe einen 24V 2A Gleichstrommotor, den ich fahren möchte. Ich habe eine Platine mit einem bestimmten IC darauf entworfen, um den Motor anzutreiben, es hat gut funktioniert. Aber dann dachte ich, dass ich versuchen würde, meinen eigenen H-Brücken-Motortreiber so zu entwerfen, dass ich nicht an die Parameter des IC gebunden bin (Strombegrenzung von 4A, es wird leicht überhitzt usw.)

Meine Frage ist also: Ist dies ein gutes H-Brücken-Design?

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Ich suche kein 3-Pin-Design, daher bezieht sich meine Frage nicht darauf. Ich möchte eine 4-Pin-H-Brücke, bei der ich jeden Pin mit einer MCU steuern kann. Ich habe einige Designs über das Internet gesehen, fast alle stimmen dem N-Kanal-MOSFET auf der niedrigen Seite und dem P-Kanal-MOSFET auf der hohen Seite zu, wobei die Flyback-Dioden parallel zu jedem MOSFET liegen.

Aber was ist mit dem BJT? Ist es eine gute Idee, den P-MOSFET über BJTs anzusteuern? Nehmen wir als Steuereinheit eine STM32 3,3V MCU an, die Pins, die Sie hier sehen, sind direkt mit den GPIO-Pins der MCU verbunden. Haben die Widerstände den richtigen Wert?

Soweit ich weiß, werden R15 und R42 als Strombegrenzungswiderstände "verwendet", aber auf diese Weise fließt nicht so viel Strom, also sind kleine Werte wie 100 Ohm oder 1 k in Ordnung?

R31 und R40 sind Pulldown-Widerstände, sie brauchen einen hohen Wert wie 10k, 100k, um dort nur einen kleinen Strom zu haben?

R17 und R22 sind Pull-up-Widerstände, wenn der BJT ausgeschaltet ist, dieselben großen Werte wie die vorherigen Pull-down-Widerstände?

Ich denke, dass R1 und R39 auch den Strom begrenzen, aber ich habe keine Ahnung, was dort eine gute Größe ist.

Was muss ich sonst noch beachten? Ich denke, ich sollte P-Kanal-Transistoren wählen, die hohe Ströme und hohe Spannungen verarbeiten können, auch die 24-V-Gate-Spannung. N-Kanal-MOSFETs, um große Ströme verarbeiten zu können. Und was ist mit dem BJT? Wie wähle ich das aus?

Also ja, insgesamt ist meine Frage: Ist dies eine gute Schaltung, wird sie funktionieren, wie wählt man Widerstandsgrößen und BJT aus?

BEARBEITEN!

Basierend auf den Kommentaren, die ich erhalten habe (vielen Dank), habe ich den Schaltplan neu gestaltet:

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Die Low-Side-PWM war ein guter Vorschlag, daran habe ich nicht gedacht. Ich habe die Pulldown-Widerstandsgrößen reduziert, um das Schalten schneller zu machen. Basierend auf einem anderen sehr nützlichen Kommentar habe ich auf beiden Seiten eine 15-V-Zenerdiode eingeführt, um das Gate meines MOSFET vor Überspannung zu schützen. Ich habe auch den BJT durch genau denselben N-MOSFET-Schalter ersetzt, den ich auf der niedrigen Seite verwende.

Ich habe das Boost-Kondensator-Ding jedoch nicht verstanden :(

Was denkst du jetzt?

Ich denke, die üblichere Lösung besteht darin, alle Nch mit Freigabe oben für die Richtung und PWM unten mit der Boost-Kappe für die Gate-Spannung oben für höhere Geschwindigkeiten von niedrigeren Rdson und damit R / L-Verhältnissen und geringeren Verlusten zu verwenden. Aber auch die Totzeit hängt von dieser Zeitkonstante ab
Sind die P-FETs mit 24 V + Rand am Gate in Ordnung? Ich würde einen Zener darüber legen.
Wenn man 2N3904 für "digitalen" Befehl verwendet, verwenden Sie einen Schaltplan mit 2 Antisättigungsdioden. Wird schnellere Kommutierung sein.
Also. Simulation durchgeführt. Dioden scheint nicht notwendig zu sein. Verzeihung.
Beachten Sie auf jeden Fall, dass der Eingangskondensator des MosFet etwa 1500 pF beträgt. Die Kommutierung wird also am langsamsten sein. Meine Einschätzung von 45us in der Zeit. R17 & R22 können niedriger sein. (1k)
Vielen Dank für die Kommentare, sie waren sehr nützlich. Ich habe die Frage bearbeitet und den neuen Schaltplan hinzugefügt. Wenn Sie Vorschläge für diese Schaltung haben, wäre ich Ihnen dankbar, wenn Sie sie mit mir teilen würden.
Ich habe versucht, den MOSFET-P zu simulieren. Seltsame Ergebnisse. Fehler in meinem Simulator? Ich weiß nicht, wo ich etwas vermisse. Die MOSFET-N sind ok. Welches Modell (Q3 und Q5)? Q1 und Q6 sind "Logikpegel".
Nur simulierter Treiber (BS107) und FQP27P06. Seltsame Ergebnisse. Aus/Ein ... sofort OK. Ein/Aus nehmen ~ 85 us @2A ???
Nun, ich habe keine genauen Modelle ausgewählt, es geht eher um die Logik und die Funktion. Aber ich möchte Q3 und Q5 mit einer 3,3-V-PWM von einer STM32-MCU drehen. Und ja, Q1 und Q6 auch mit 3,3V GPIO.
Ich musste R17 = 1k und R41 = 0 ändern. Die Zeit ist jetzt 8 us Ein / Aus. Muss nach einem solchen "Digitalnivellier" suchen ... :) BS107-Treiber scheint ok zu sein. Überprüfen Sie nur die Leistung, die hoch genug ist.
Verzeihung. BS107 ok für 5V, nicht für 3,3V. (simuliert)
Danke für die Simulationen :)
Beispieltreiber RSU002N06; siehe für die Suche, was Sie wollen, niedrigerer Preis (Beispiel MOSFET-P 3,3 V Logik 60 V min 40 A) vor Ort oder ähnlich eu.mouser.com/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/… Viel Glück!

Antworten (3)

Aber was ist mit dem BJT? Ist es eine gute Idee, den P-MOSFET über BJTs anzusteuern?

Es ist in Ordnung, es spielt keine Rolle, was Sie verwenden, um die H-Brücken-Mosfets so viel anzusteuern, wie die Zeit, die zum Ändern der Gate-Spannung benötigt wird.

Es gibt zwei Probleme:

  1. Lange Schaltzeiten
  2. Die hohe und die niedrige Seite sind gleichzeitig eingeschaltet

Lange Schaltzeiten führen Wärme im Mosfet ab. Wenn der Mosfet vollständig ausgeschaltet ist, hat er einen wirklich niedrigen Strom / hohen Widerstand und es gibt wenig Verlustleistung. Wenn der Mosfet voll eingeschaltet ist, hat er einen hohen Strom / niedrigen Widerstand und mehr Verlustleistung, aber bei vielen Fets ist der Rdson niedriger als 1 Ω oder im mΩ-Bereich, sodass große Ströme immer noch Wärme abführen, die das Paket verarbeiten kann.

Das Problem, wenn die Gate-Spannung irgendwo in der Mitte liegt und der Widerstand im Mosfet gleich der Last ist. An diesem Punkt wird der Fet die gleiche Hälfte der Leistung in der Last abführen (und ist der Spitzenleistungspunkt). Dies kann nur für kurze Zeit geschehen, was von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, dem Strom, dem Widerstand des Fets und der Gate-Kapazität und den anderen Kapazitäten des Fets, wenn schnell geschaltet wird.

Die andere Sache, die Sie vermeiden möchten, ist, dass die hohe Seite und die niedrige Seite gleichzeitig eingeschaltet sind. Dies kann schwieriger sein, wenn Sie p-ch und n-ch gleichzeitig verwenden (ich verwende normalerweise alle n-ch, auf der hohe Seite wird es schwierig, das Tor zu drehen, aber es gibt viele Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen).

Am Ende des Tages ist eine Gewürzsimulation am besten, um zu überprüfen, ob die Fette nicht verbrennen.

Was denkst du jetzt?

Ich denke, Sie sollten es wahrscheinlich in einem Gewürzpaket LT-Gewürz simulieren, normalerweise das, zu dem ich gehe. Insgesamt sieht das Design viel besser aus, und der hohe Teil der Brücke sollte schneller schalten.

Der Grund dafür ist, dass es viele Probleme gibt, die leichter zu erkennen sind. Es ist viel einfacher zu sehen, ob sowohl die hohe als auch die niedrige Seite gleichzeitig ausgeschaltet sind.

Stellen Sie sicher, dass Sie die Verlustleistung der Teile überprüfen. Es ist auch gut, Lasten zu simulieren, insbesondere Lasten, die den Einschaltstrom ändern können. Die Induktivität von Drähten oder kapazitiven Elementen kann Probleme für eine h-Brücke verursachen.

Ein weiteres Problem, mit dem Sie möglicherweise konfrontiert sind, ist das Umschalten der Motorrichtung, da der Motor ein großes induktives Element ist und auch durch Gegen-EMK und die mechanische Last beeinträchtigt werden kann. Es wäre wahrscheinlich ratsam, die Richtung nicht sofort zu wechseln, da dies große Strommengen erzeugen und Elemente ausbrennen würde, ich bin auch vom Motor abhängig. Wenn Sie die Richtung wechseln, können Sie eine Zeit lang warten, bis der Motor langsamer wird, und dann auf die andere Seite drehen.

Wenn dies ein oder zwei Dinge sind, schauen Sie sich ein BTS7960 Bridge-Modul an. Es hat eine Menge Schnickschnack, den Sie vielleicht wollen oder auch nicht wollen, aber sie funktionieren großartig, ich habe über ein Dutzend davon benutzt. Ich habe vor zwei Jahren zwei Dutzend Maye für weniger als 8,00 US-Dollar gekauft, die an meine Tür geliefert wurden.
Beachten Sie bei der Simulation, dass Sie die durchschnittliche Verlustleistung einer Schaltung leicht übersehen können. Die Zeitskalen sind viel kürzer (~ms/s oder weniger Simulationsgeschwindigkeit) und Geräte explodieren nicht, wenn sie missbraucht werden; der Simulator geht lediglich davon aus, dass Sie wissen, was Sie tun. :)
@TimWilliams - gibt es eine Befehlszeilenoption, um Geräte in die Luft zu jagen, wenn sie sollten? ;-} Das wäre doch ganz praktisch, meinst du nicht?
@MicroservicesOnDDD Sie scherzen, aber einige Simulatoren in der Vergangenheit haben, glaube ich, visuelle Hinweise auf solche Dinge gegeben. Nachteil: Es ist eher ein aufdringliches Gimmick als eine nützliche Modellierung; B. eine Sicherung, die auf dem absoluten Strom basiert, statt auf einem echten thermischen Modell.

Ich habe Ihre Schaltung (im wirklichen Leben) gebaut, aber die Widerstandswerte für beide High/Low-Seiten auf 10k/460 geändert (anstelle von 100K/10K für die High-Seite bzw. 10K/100 für die Low-Seite), und sie funktioniert gut. Ich habe die Widerstandsänderung vorgenommen, um einen LTV-846-Optokoppler zur Steuerung verwenden zu können und mir keine Gedanken über den Einbau von BJTs und deren Schaltungen zu machen.

Im Allgemeinen funktionierte es bei 12 V wie vorgesehen, aber ich glaube nicht, dass Sie auf 24 V gehen können. Ich habe mit einem Oszilloskop gemessen und festgestellt, dass der "blockierende" High-Side-P-MOSFET eine Gate-zu-Drain-Spannung sieht, die der an die Last angelegten Spannung entspricht. Wenn also der leitende Zweig 24 V an die Last anlegt, sieht der sperrende P-MOSFET diese 24 V von Gate zu Drain.

Ich weiß, dass die 20-V-Gate-Grenze von Gate zu Source sein soll (was in Ihrem Design durch den Zenner geschützt ist), aber diese Gate-zu-Drain-Spannung hat sowieso irgendwie einen meiner High-Side-MOSFETs zerstört. Ich habe die Spannung über dem Zenner gemessen und sie ist sehr unscharf, bleibt aber bei etwa 5 V. Bei 12V ist alles pfirsichfarben.

the blocking P-MOSFET sees those 24 V from Gate to DrainWo ist das Problem? Beziehen Sie sich auf das ursprüngliche Schema oder das "mit den Zenerdioden"? Es gibt eine 60-Volt-Grenze v D S S , und ich würde voll und ganz erwarten, dass das Gate für insgesamt 85 Volt maximal in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt sein kann. Die Zenerdiode begrenzt v G S bis gut innerhalb von ±25 V - was sowieso mehr als 24 Volt sind.
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