Ist dies ein gutes Design für die MOSFET-H-Brücke?

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

Diese Brücke wird von einem Mikrocontroller angesteuert und muss schnell sein, um PWM zu unterstützen. Basierend auf meinen Messwerten sind Leistungs-MOSFETs die beste Wahl, wenn es um schnelles Schalten und geringen Widerstand geht. Also werde ich P- und N-Kanal-Leistungs-MOSFETs kaufen, die für 24 V+ und 6 A+, Logikpegel, einen niedrigen R DSon und schnelles Schalten ausgelegt sind. Gibt es noch etwas, was ich beachten sollte?

Ok, weiter zum H-Brücken-Design: Da meine MCU mit 5 V betrieben wird, gibt es ein Problem beim Ausschalten des P-Kanal-MOSFET, da V gs bei 12 V + liegen muss, um vollständig ausgeschaltet zu werden. 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, aber die langsame Schaltgeschwindigkeit des BJT dominiert meinen schnell schaltenden FET!

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 schlechtes oder falsches Design? Gibt es ein Problem, das ich nicht sehe?

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

Zur Erklärung des Schemas:

  • 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 (die Spannung auf GND herunterziehen).
  • R2 & 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 ziehen!)
  • PWM 1 & 2 kommen von einer 5V MCU.
  • Vcc ist 12V
Dein Post wäre ohne deine Entschuldigung für den langen Post kürzer gewesen, sodass die Entschuldigung nicht nötig wäre :-)
Reichen die 5 V von Ihrem Controller aus, um die Leistungs-MOSFets wirklich einzuschalten? Und die 10k-Basiswiderstände erscheinen mir sehr hoch, wenn Sie PWM wollen!
@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-Bridge-ICs zu vermeiden, da die meisten so viele andere diskrete Teile benötigen, insbesondere wenn etwas zur Unterstützung von 6A + benötigt wird. Für den unten vorgeschlagenen Widerstand werde ich stattdessen 100 Ω verwenden.
@FAD Sie haben gefragt, ob diese Schaltung in Ordnung ist, aber Sie haben die FET-Typen, die Sie verwenden möchten, nicht erwähnt. Ich kann also nur auf ein potenzielles Problem hinweisen. Es liegt an Ihnen, das Datenblatt der N-FETs zu überprüfen, um zu überprüfen, ob sie sich wirklich bei der ~ 5-V-Ausgabe Ihres Mikrocontrollers einschalten.
@Wouter van Ooijen, fast alle FETs mit Logikpegel N, die ich mir angesehen habe, schalten sich bei oder sogar unter 5 V ein, einige gehen bis auf 2,7 V, aber mit einigen Einschränkungen.
@FAD gut, wenn du es überprüft hast, ist das in Ordnung. Stellen Sie nur sicher, dass Sie sowohl Q2/Q5 als auch Q3/Q6 überprüft haben, und letzteres beim Spitzenstrom (bei einem 2~3A-Motor könnten das 10A oder so sein).

Antworten (6)

Ich bin mir nicht sicher, warum Sie denken, dass BJTs erheblich langsamer sind als Leistungs-MOSFETs. das ist sicherlich keine angeborene Eigenschaft. Aber es ist nichts falsch daran, FETs zu verwenden, wenn Sie dies bevorzugen.

Und MOSFET-Gates benötigen tatsächlich 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 würden Sie aus Stabilitätsgründen Widerstände von nur etwa 100 Ω in Reihe mit den Gates verwenden.

Wenn Sie wirklich schnell schalten möchten, sollten Sie spezielle Gate-Treiber-ICs zwischen dem PWM-Ausgang der MCU und den Leistungs-MOSFETs verwenden. Zum Beispiel hat International Rectifier eine große Auswahl an Treiberchips, und es gibt Versionen, die die Details der High-Side-Ansteuerung für die P-Kanal-FETs für Sie übernehmen.

Zusätzlich:

Wie schnell sollen die FETs schalten? Jedes Mal, wenn man ein- oder ausschaltet, wird während des Übergangs ein Energieimpuls verbraucht, und je kürzer Sie dies machen können, desto besser. Dieser Impuls, multipliziert mit der PWM-Zyklusfrequenz, ist eine Komponente der durchschnittlichen Leistung, die der FET abführen muss – oft die dominierende Komponente. Andere Komponenten umfassen die Leistung im eingeschalteten Zustand (I D 2 × R DS(ON) multipliziert mit dem PWM-Tastverhältnis) und jegliche Energie, die im ausgeschalteten Zustand in die Body-Diode geleitet wird.

Eine einfache Art, die Schaltverluste zu modellieren, besteht darin, anzunehmen, dass die Momentanleistung ungefähr eine dreieckige Wellenform ist, deren Spitze (V CC /2) × (I D /2) ist und deren Basis gleich der Übergangszeit T RISE oder T FALL ist . Die Fläche dieser beiden Dreiecke ist die gesamte während jedes vollen PWM-Zyklus verbrauchte Schaltenergie: (T RISE + T FALL ) × V CC × I D / 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 Gate-Ladung am Gate des MOSFET ein- und ausschalten können. Ein typischer mittelgroßer MOSFET kann eine Gate-Gesamtladung in der Größenordnung von 50–100 nC haben. Wenn Sie diese Ladung beispielsweise in 1 µs bewegen möchten, benötigen Sie einen Gate-Treiber mit einer Kapazität von mindestens 50-100 mA. Wenn du doppelt so schnell schalten willst, brauchst du den doppelten Strom.

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

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

Danke für die Antwort, - Korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege, aber basierend auf dem, was ich in Datenblättern gesehen habe, haben die als schnell schaltenden BJTs Schaltwerte in Mikrosekunden, während Mosfets in 10 Nanosekunden liegen (es könnte einige geben dass ich nicht gesehen habe, was so schnell sein könnte). Für die Widerstände werde ich 100Ω verwenden, danke. Zuletzt, was wird als schnelles Schalten angesehen, das möglicherweise Gate-Treiber benötigt? Ich kann die PWM-Geschwindigkeit in meiner MCU von den Standardwerten von 32 KB auf niedrigere Werte wie 10 KB oder 1 KB ändern.
Ich weiß nicht, welche BJTs Sie sich angesehen haben. Sogar die Jellybean 2N3904 hat Anstiegs-/Abfall-/Verzögerungszeiten in der Größenordnung von 35–50 ns.
Können Sie andere schnelle BJTs vorschlagen, die mit ~ 6 A umgehen können?
Im Zusammenhang mit Ihrer ursprünglichen Frage hatten Sie Einwände gegen die Verwendung eines NPN-Transistors zum Ansteuern des PFET. Ich sage nur, so etwas wie ein 2N3904 wäre dafür in Ordnung.
"Einschaltleistung: 0,5 × ID ^ 2 × RDS (ON)" Warum die 0,5?
@m.Alin: Der Faktor 0,5 steht für die Einschaltdauer. Hmmm ... es sieht so aus, als hätte ich es zweimal eingefügt. Wird behoben.

Es ist eine äußerst schlechte Praxis, MOSFET-Gates ohne Widerstand oder Impedanz zwischen ihnen zusammenzubinden. Q5 und Q3 sind ohne Trennung miteinander verbunden, ebenso wie Q2 und Q6.

Wenn Sie diese FETs am Ende hart ansteuern (was Sie wahrscheinlich tun werden), können die Gates am Ende miteinander klingeln, was zu unangenehmen hochfrequenten (MHz) störenden Ein- und Ausschaltübergängen führt. Es ist am besten, den benötigten Gate-Widerstand gleichmäßig aufzuteilen und mit jedem Gate einen Widerstand in Reihe zu schalten. Auch ein paar Ohm reichen aus. Oder Sie könnten eine Ferritperle auf eines der beiden Tore setzen.

Danke für den Rat, 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.
Richtig. Welchen Gate-Widerstand Sie auch verwenden möchten, duplizieren Sie ihn und schalten Sie einen in Reihe mit jedem Gate.
Dieser Hinweis ist für den Fall einer H-Brücke eigentlich falsch. Bei einer H-Brücke brauchen Sie keine zusätzlichen Widerstände; Stattdessen möchten Sie sicherstellen, dass Sie den Durchschuss steuern, indem Sie das hohe Ende ausschalten, bevor Sie das untere Ende um eine kurze Zeit (in der Größenordnung von einer Mikrosekunde) einschalten.
@JonWatte Das High-Side- und Low-Side-Timing ist entscheidend für die Steuerung des Durchschusses, da stimme ich zu, aber parallele MOSFETs müssen immer getrennt werden, um ein gegenseitiges Klingeln zu vermeiden.
Ich glaube, dass die Kommutierung von Phasen mit hochohmigen Übergangszuständen zum Klingeln neigt, aber wenn der Knoten irgendwie auf Masse oder die Mittelpunktspannung im Übergang vor dem Durchschießen überbrückt wurde, können Sie sowohl das Klingeln als auch das Durchschießen mit einer geringen Impedanz auflösen Totzeit-Shunts konnte das Risiko von festgebackenen H-Brücken reduziert werden. Ich stimme zu, dass das Timing kritisch ist, die Ferritabsorption nützlich ist und eine niedrige Impedanz erforderlich ist.
Mein Rat ist nicht immer wörtlich zu nehmen, aber ich hatte einmal ein großes SCADA-System mit H-Brückensteuerung von Motoren und die Interia war so sehr auf Stoppen. Ich musste 1 ms lang durchschießen, um zu verhindern, dass die winzigen Motoren auf beiden Seiten der H-Brücke austrudeln.
Warum die Ablehnung? Mein Punkt zum Klingeln gilt unabhängig davon, ob Sie in Shoot-Through entwerfen oder nicht. Wenn die Gates miteinander klingeln, verhalten sie sich trotz Ihres Steuereingangs (des Gate-Treibersignals), was eine schlechte Nachricht ist, unabhängig davon, was Sie steuern!

Der Pull-Up-Widerstand für das Gate des P-Kanal-FETs ist in der Größenordnung von zwei Größenordnungen zu groß. Ich habe eine niederfrequente (< 1 kHz) H-Brücke wie diese mit einem 220-Ohm-Pull-up betrieben; 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 einem Verlust von einem vollen Watt entspricht! Außerdem muss der Pull-up-Widerstand kräftig sein - ich habe etwa 1/4 Watt parallel geschaltet und die PWM ziemlich niedrig betrieben, etwa 300 Hz.

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

Außerdem ist der Gate-Widerstand für die PWM-Steuerung viel zu hoch. Auch er muss in der Größenordnung von 100 Ohm oder weniger liegen, um ihn schnell genug anzutreiben. Wenn Sie PWM mit Kilohertz oder schneller betreiben, benötigen Sie noch mehr, also entscheiden Sie sich an diesem Punkt für einen Treiber-IC.

=1 Es ist gut, dass jemand erkennt, dass die Schaltung selbst für Hobbystandards Müll ist.

Ich habe einige Bedenken wegen der Tatsache, dass Sie beide Seiten der Brücke mit denselben Steuersignalen verbunden haben. Mit der zusätzlichen Verzögerung, die durch Ihren N-FET-Puffer/Wechselrichter verursacht wird, könnten Sie die oberen und unteren FETs auf einer Seite der H-Brücke für kurze Zeit gleichzeitig eingeschaltet haben. Dies kann dazu führen, dass ein erheblicher Strom durch den Halbbrückenzweig schießt und möglicherweise sogar Ihre Leistungs-FETs beschädigt.

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

Ich habe dies bereits im Hinterkopf und plane, eine kleine Verzögerung von der MCU einzuführen, um beide Eingänge (GND) auszuschalten, bevor die Richtung umgekehrt wird.

R1 und R3 müssen 80 oder 100 Ohm sein ... und Sie müssen direkt nach R1 und R3 einen Pulldown-Widerstand von 1 kOhm hinzufügen, um ihn auf 0 zu ziehen, wenn er ausgeschaltet ist, um sicherzustellen, dass er vollständig ausgeschaltet ist ... und wie Ihnen gesagt wurde, wenn Sie ihn verwenden Mosfet-Treiber wird es besser und sicherer für den Controller sein ... und der Rest der Schaltung ist in Ordnung. Eine andere Sache ist, das Mosfet-Datenblatt zu überprüfen, um sicherzustellen, dass die Mosfet-Zeitverzögerung ein- und ausgeschaltet ist (in Nanosekunden), um zu überprüfen, ob dies der Fall ist arbeite mit deiner pwm wunschfrequenz ..

Der Einfachheit halber verwende ich einen Treiber mit 4 MosFet-Schaltern. Siehe Spezifikationen zum Beispiel von IR2113. 3,3 V kompatibel.

IR2113 hat keine gute Schnittstelle zu den OP-P-MOSFETs der Oberseite, die vor neun Jahren verwendet wurden.
Ist dies ein gutes Design für die MOSFET-H-Brücke?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v