Est-ce une bonne conception pour MOSFET H-Bridge?

J'ai cherché à concevoir un pont en H simple mais fonctionnel pour un moteur de voiture RC (12V et 2 ~ 3A).

Ce pont sera piloté à partir d'un microcontrôleur et devra être rapide pour prendre en charge le PWM. Donc, d'après mes lectures, les MOSFET de puissance sont le meilleur choix en matière de commutation rapide et de faible résistance. Je vais donc acheter des MOSFET de puissance de canaux P et N qui sont évalués à 24V + et 6A +, au niveau logique, à faible _DSon R et à commutation rapide. Y a-t-il autre chose que je devrais considérer?

Ok ainsi de suite à la conception du pont en H: Puisque mon MCU fonctionnera à 5V, il y aura un problème avec la désactivation du MOSFET du canal P, car V _gs doit être à 12V + pour s'éteindre totalement. Je vois que de nombreux sites Web résolvent ce problème en utilisant un transistor NPN pour piloter le FET du canal P. Je sais que cela devrait fonctionner, cependant, la vitesse de commutation lente du BJT dominera mon FET à commutation rapide!

Alors pourquoi ne pas utiliser un FET à canal N pour piloter le FET à canal P comme ce que j'ai dans cette conception?

Est-ce une mauvaise ou mauvaise conception? Y a-t-il un problème que je ne vois pas?

De plus, la diode inversée intégrée dans ces FET sera-t-elle suffisante pour gérer le bruit provoqué par l'arrêt (ou peut-être l'inversion) de la charge inductive de mon moteur? Ou dois-je encore avoir de vraies diodes flyback pour protéger le circuit?

Pour expliquer le schéma:

• Q3 & Q6 sont les transistors à canal N côté bas
• Q1 et Q4 sont les transistors à canal P côté haut, et Q2 et Q5 sont les transistors à canal N qui pilotent ces canaux P (abaissez la tension à GND).
• R2 & R4 sont des résistances pull up pour garder le canal P éteint.
• R1 et R3 sont des limiteurs de courant pour protéger le MCU, (je ne sais pas s'ils sont nécessaires avec les MOSFET, car ils ne consomment pas beaucoup de courant!)
• Les PWM 1 et 2 proviennent d'un MCU 5V.
• V _cc est 12V

Je ne sais pas pourquoi vous pensez que les BJT sont beaucoup plus lents que les MOSFET de puissance; ce n'est certainement pas une caractéristique inhérente. Mais il n'y a rien de mal à utiliser des FET si c'est ce que vous préférez.

Et les portes MOSFET ont en effet besoin de quantités importantes de courant, surtout si vous voulez les commuter rapidement, pour charger et décharger la capacité de la grille - parfois jusqu'à quelques ampères! Vos résistances de grille 10K vont ralentir considérablement vos transitions. Normalement, vous utiliseriez des résistances de seulement 100Ω environ en série avec les grilles, pour la stabilité.

Si vous voulez vraiment une commutation rapide, vous devez utiliser des circuits intégrés de pilote de porte à usage spécial entre la sortie PWM du MCU et les MOSFET de puissance. Par exemple, International Rectifier possède une large gamme de puces de pilote, et il existe des versions qui gèrent pour vous les détails de la commande côté haut pour les transistors FET à canal P.

Additionnel:

À quelle vitesse voulez-vous que les FET changent? Chaque fois que l'on s'allume ou s'éteint, cela va dissiper une impulsion d'énergie pendant la transition, et plus vous pouvez faire cela court, mieux c'est. Cette impulsion, multipliée par la fréquence du cycle PWM, est l'un des composants de la puissance moyenne dont le FET a besoin pour se dissiper - souvent le composant dominant. Les autres composants incluent la puissance à l'état passant (I _D ² × R _{DS (ON)} multipliée par le cycle de service PWM) et toute énergie déversée dans la diode du corps à l'état bloqué.

Une façon simple de modéliser les pertes de commutation est de supposer que la puissance instantanée est à peu près une forme d'onde triangulaire dont le pic est (V _CC / 2) × (I _D / 2) et dont la base est égale au temps de transition T _RISE ou T _FALL . L'aire de ces deux triangles est l'énergie de commutation totale dissipée pendant chaque cycle PWM complet: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Multipliez cela par la fréquence du cycle PWM pour obtenir la puissance moyenne de perte de commutation.

La principale chose qui domine les temps de montée et de descente est la vitesse à laquelle vous pouvez déplacer la charge de la porte sur et hors de la porte du MOSFET. Un MOSFET de taille moyenne typique peut avoir une charge de grille totale de l'ordre de 50 à 100 nC. Si vous voulez déplacer cette charge dans, disons, 1 µs, vous avez besoin d'un pilote de porte capable d'au moins 50-100 mA. Si vous voulez qu'il passe deux fois plus vite, vous avez besoin du double du courant.

Si nous connectons tous les numéros de votre conception, nous obtenons: 12V × 3A × 2µs / 8 × 32kHz = 0,288 W (par MOSFET). Si nous supposons R _{DS (ON)} de 20mΩ et un rapport cyclique de 50%, alors les pertes I ² R seront 3A ² × 0,02Ω × 0,5 = 90 mW (encore une fois, par MOSFET). Ensemble, les deux transistors FET actifs à un moment donné vont dissiper environ 2/3 watts de puissance à cause de la commutation.

En fin de compte, c'est un compromis entre l'efficacité que vous voulez que le circuit soit et combien d'efforts vous voulez consacrer à son optimisation.

Il est extrêmement mauvais de relier les portes MOSFET sans résistance ou impédance entre elles. Q5 et Q3 sont liés sans aucune séparation, ainsi que Q2 et Q6.

Si vous finissez par conduire ces FET durement (ce que je suppose que vous finirez par le faire), les portes peuvent finir par sonner les unes avec les autres, provoquant des transitions d'activation et de désactivation parasites à haute fréquence (MHz). Il est préférable de diviser également la résistance de grille nécessaire et de mettre une résistance en série avec chaque grille. Même quelques ohms suffisent. Ou, vous pouvez mettre une perle de ferrite sur l'une des deux portes.

Les résistances de rappel de la grille des FET à canal P sont de l'ordre de deux grandeurs trop importantes. J'ai fait sauter un pont en H à basse fréquence (<1 kHz) comme celui-ci avec un pull-up de 220 ohms; Je suis maintenant à 100 Ohms et ça marche bien. Le problème est que cela provoque un courant parasite important à travers le pull-up lors de l'activation du canal P, pour une perte d'un watt complet! De plus, la résistance de pull-up doit être costaud - j'ai mis en parallèle environ 1/4 watts, et je fais fonctionner le PWM assez bas, comme 300 Hz.

La raison pour laquelle cela est important est que vous devez pousser beaucoup de courant dans la porte pendant très peu de temps pour activer / désactiver complètement le MOSFET. Si vous le laissez dans l'état "intermédiaire", la résistance sera suffisamment élevée pour qu'il chauffe l'appareil et laisse assez rapidement la fumée magique s'échapper.

De plus, la résistance de grille pour les commandes PWM est beaucoup trop élevée. Il doit également être de l'ordre de 100 ohms ou moins pour le conduire assez rapidement. Si vous exécutez PWM à kilohertz ou plus, vous en avez besoin de plus, alors à ce stade, optez pour un pilote IC.

Je suis quelque peu préoccupé par le fait que les deux côtés du pont sont connectés aux mêmes signaux de commande. Avec le retard supplémentaire imposé par votre tampon / onduleurs N-FET, vous pourriez avoir les FET supérieur et inférieur d'un côté du pont H en même temps pendant de courtes périodes. Cela peut entraîner un courant important à travers la jambe du demi-pont et peut-être même endommager vos FET de puissance.

Je fournirais des connexions distinctes de votre MCU pour les quatre signaux d'entraînement FET. De cette façon, vous pouvez concevoir qu'il y ait un temps mort entre la désactivation d'un FET avant l'activation de l'autre FET du même côté du pont.

R1 et R3 doivent être de 80 ou 100 ohms .. et vous devez ajouter une résistance de 1kohm vers le bas juste après R1 et R3 pour la tirer à 0 chaque fois qu'elle est éteinte pour vous assurer qu'elle est complètement éteinte .. et comme on vous l'a dit si vous utilisez pilote mosfet ce sera mieux et plus sûr pour le contrôleur .. et le reste du circuit est ok .. une autre chose est de vérifier la fiche technique mosfets pour vous assurer que le délai de mosfet s'allume et s'éteint (en nano secondes) pour vérifier s'il travailler avec votre fréquence pwm souhaitée ..