Warum hat diese H-Brücke mit nur N-Kanal-FETs nicht funktioniert?

Basierend auf dieser Antwort hier in StackExchange und dem darin zitierten Motorola-Artikel habe ich einen Dual-H-Brücken-Motortreiber mit Push-Pull-Transistoren entworfen, um die FETs schneller zu schalten, eine Leiterplatte in KiCad ausgelegt und gebaut.

Die Einschränkungen bestanden darin, nur N-Kanal-FETs zu verwenden, die in einem alten Computer-Motherboard zu finden sind, und ich hatte keine Gate-Treiber (eigentlich habe ich ein paar IR2110 gekauft, aber es wird lange dauern, bis sie ankommen).H-Brücke mit Push-Pull

Als ich diese erste Version mit einem Spielzeug-RC-Helikoptermotor getestet habe, lief sie ein paar Mal, aber schließlich wurde die Hälfte jeder H-Brücke (es gab 2 davon) kurzgeschlossen (viel Rauch und alles). Alles lief auf 2 Li-Ionen-Zellen (7,4 V) für VCC und eine dritte kleine Telefonzelle (3,7 V) in Reihe für insgesamt 11,1 V in Vdrive.

Ich habe das Multimeter zur Überprüfung verwendet und es sieht so aus, als könnte IMZ1A die High-Side-FETs aus irgendeinem Grund nicht nach unten ziehen. Anfangs konnten sie, aber dann hörten sie auf zu arbeiten. Die 2N7002s waren alle in Ordnung. Ich habe versucht, sowohl die kurzgeschlossenen Leistungs-FETs als auch die IMZ1As durch neue zu ersetzen, aber das gleiche Problem trat erneut auf.

Ich war es leid, Sachen zu verbrennen, versuchte aber immer noch zu beweisen, dass eine einfache N-Kanal-Brücke entworfen werden könnte, und ich habe diese neue Schaltung erstellt:Verdammt einfache H-Brücke

Dieser hat tatsächlich funktioniert und funktioniert bis jetzt, obwohl er sehr einfach ist. Die Frage ist: Warum hat die erste Schaltung nicht funktioniert? Stimmt etwas mit dem Design nicht?

BEARBEITEN: Einige Wellenformen für die letzte Schaltung erfasst:
Diese im LeerlaufzustandWellenform keine Last

Und das mit dem Motor. Der gemessene Ankerwiderstand betrug etwa 2,2 R und die Induktivität etwa 240 uH.Wellenformmotor

@DKNguyen wusste nichts über Durchschuss. Ich dachte, das einzige, was passieren würde, wenn man solche Eingänge teilt, wäre das Bremsen des Motors, wenn beide niedrig sind. R4 und R12 stammen vom Motorola-Design, haben sie behalten, weil ich vermutete, dass sie dazu da sind, die Drain-Source-Spannung im FET zu senken, wenn ein höherer Vdrive verwendet wird.
Die Ein- und Ausschaltzeiten der Transistoren stimmen selten überein, und selbst wenn sie es täten, gibt es Abweichungen zwischen den einzelnen Transistoren.
Woher wird Vdrive generiert? Wo ist das Dual? Ich sehe nur eine H-Brücke. DKNguyens Antwort unten sollte es abdecken, aber um es sicher sagen zu können, müssten wir Gate-Drive-Oszillogramme sehen.
@winny Entschuldigung, wenn ich nicht klar war, aber Vdrive kommt von einer 3. Batteriezelle in Reihe mit der Hauptversorgung. Die andere H-Brücke ist genau gleich, also habe ich sie weggelassen, um die Schaltpläne sauber zu halten.
Ich bin mir nicht sicher, warum Ihre untere Schaltung TBH funktioniert. Weil es aufgrund des High-Side-Gate-Drive-Problems nicht sein sollte. Meine Vermutung ist, dass es wahrscheinlich nicht so funktioniert, wie es sollte. Diese Top-MOSFETs sollten sich selbst ausschalten, wenn Sie versuchen, sie einzuschalten.
@DKNguyen warum sollten sie abschalten? Im schlimmsten Fall liegt die obere FET-Quelle auf VCC, aber Vdrive ist immer höher als VCC + Vth (die FET-Schwellenspannung).
@ Vitorbnc Oh. Das würde erklären, warum es funktioniert. Weil Ihr Vdrive höher ist als Vcc. Das ist sehr ungewöhnlich. Diese 3,7-V-Differenz, die an Vgs zum Ansteuern angelegt wird, ist wirklich knapp. Mit der Bootstrap-Diode und den Kondensatoren können Sie einen Vdrive verwenden, der gleich der erforderlichen Vgs ist, ohne viel darüber nachzudenken, wie hoch Vcc tatsächlich ist. Übrigens möchten Sie mehrmals mehr als Vth anwenden, um den MOSFET tatsächlich als Schalter einzuschalten. Vth ist genau der Punkt, an dem es kaum zu leiten beginnt und eher für den analogen als für den digitalen Gebrauch geeignet ist. Verwenden Sie stattdessen die Gate-Spannungen für die Nenn-RDson-Kurven.
@DKNguyen Wenn ich sicherstelle, dass Vdrive immer höher als Vcc + Vth ist, kann ich dann das einfachere Design (mit 4 separaten Eingängen) beibehalten, um den Motor mit einer PWM von bis zu 1 kHz oder so zu betreiben? Ich habe die Schaltzeit unter Berücksichtigung der Widerstände und der Gate-Kapazität grob geschätzt und überprüft.
@Vitorbnc Sie müssen die angelegten Vgs um ein Vielfaches größer als Vth sein. Vth ist genau dort, wo der MOSFET kaum anfängt, sich einzuschalten. Es ist für analoge Verwendung, nicht für digitales Schalten. Verwenden Sie die Gate-Spannungen, die neben dem Nenn-RDson aufgeführt sind, oder sehen Sie sich die I-Vds-Kurven an. Verwenden Sie Vth nicht zum Schalten. Ich denke, Sie könnten einfach immer sicherstellen, dass Vcc + Vgs > Vcc. Das Problem dabei ist, dass Sie irgendwann Ihre maximal tolerierbare Gate-Spannung beim Ausschalten überschreiten können, abhängig von Ihrer Schaltung.
Rechts. Das ist nicht viel Vgs, mit dem man arbeiten kann. Sind Sie sicher, dass Sie den oberen MOSFET immer einschalten?
@winny hat gerade einige Wellenformen für die zweite Schaltung hinzugefügt
Großartig! Sieht so aus, als würde es sich vollständig einschalten, aber bitte beachten Sie, dass dies weniger VGS ist, als die meisten es wagen würden, zu entwerfen.

Antworten (1)

Beide Schaltungen leiden unter Durchschussproblemen. Dies passiert, wenn Sie nicht jedem Transistor ein unabhängiges Steuersignal geben. Das Problem ist möglicherweise in Ihrer oberen Schaltung schlimmer, da der High-Side-Gate-Treiber viel effektiver ist als der Low-Side-Gate-Treiber.

Andererseits weiß ich nicht, wofür R4 und R12 sein sollen, da sie nur im Weg stehen und dazu führen könnten, dass Ihr High-Side-Gate-Treiber schlechter arbeitet als der untere. In beiden Fällen ist das Ergebnis dasselbe: schlechteres Durchschießen.

Sie haben in einer jetzt gelöschten Antwort angegeben, dass R4/R12 den Strom durch Q3 begrenzen soll. Dies ist eigentlich kein Problem, denn wenn Q3 eingeschaltet ist, wird der Stromeingang eines Zweigs bereits durch R3 begrenzt. Im anderen Zweig würde der Strom, der durch den Basis-Emitter von Q5B fließt (der auch durch Q3 fließt), sowohl Q5B als auch Q3 ausblasen ... außer es tut dies nicht, weil Q5A ausgeschaltet ist. Sie loswerden.

Schließlich ist dies ein viel grundlegenderes Problem, unter dem Ihre beiden Schaltungen leiden und das möglicherweise eine Neugestaltung erfordert, wodurch alle vorherigen Punkte sowieso in Frage gestellt werden: Ihr Gate-Treiber treibt die High-Side-MOSFET-Gates nicht mit einer Spannung relativ zur Quelle an . Es treibt sie mit einer Spannung relativ zur Masse an, aber die High-Side-MOSFETs können die Masse nicht sehen, noch kümmern sie sich darum, was es ist. Alles, was sie interessiert, ist die Spannung zwischen ihren Gate-Source-Anschlüssen.

Denken Sie darüber nach, nehmen Sie an, Ihr Gate-Treiber schaltet sich ein und Strom floss durch den Motor. Der Ausgangsknoten der Halbbrücke, die mit der positiven Versorgung verbunden ist, würde in der Spannung in Richtung Vcc ansteigen. Damit würde auch die Source-Spannung für den High-Side-MOSFET ansteigen. Wenn Ihre Gate-Spannung auf Masse bezogen ist, nimmt Ihre an den MOSFET angelegte Vgs schnell ab, wodurch der MOSFET ausgeschaltet (oder schlimmer noch, teilweise eingeschaltet) wird. Aus diesem Grund benötigen Sie Floating-Gate-Treiber für die High-Side-MOSFETs, und das macht alle N-Kanal-H-Brücken (und Halbbrücken) grundsätzlich komplexer.

Der einfachste Ansatz besteht wahrscheinlich darin, Ihren High-Side-Dioden eine Bootstrap-Diode und einen Kondensator hinzuzufügen, aber dies hat die Einschränkung, dass Sie nicht in der Lage sind, einen Arbeitszyklus von 100% auszuführen. Jedes Mal, wenn ein Low-Side-MOSFET eingeschaltet wird, wird der Bootstrap-Kondensator auf dieser Seite mit Masse verbunden, damit er sich über die Diode aufladen (auffrischen) kann. Wenn der Low-Side-MOSFET öffnet, schwebt der Kondensator bis zur Source-Spannung des High-Side-MOSFET und die Diode verhindert, dass der Bootstrap-Kondensator entleert wird. Daher muss sich der Low-Side-MOSFET regelmäßig einschalten (normalerweise im Normalbetrieb), um den Bootstrap-Kondensator aufzufrischen, der als Floating-Versorgung für die Gates des High-Side-MOSFET fungiert.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Warum hat diese H-Brücke mit nur N-Kanal-FETs nicht funktioniert?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v