นี่เป็นการออกแบบที่ดีสำหรับ MOSFET H-Bridge หรือไม่?

13

ฉันพยายามมองหาการออกแบบ H-Bridge ที่เรียบง่าย แต่ใช้งานได้สำหรับมอเตอร์ RC ในรถยนต์ (12V และ 2 ~ 3A)

สะพานนี้จะถูกขับเคลื่อนจากไมโครคอนโทรลเลอร์และต้องการความรวดเร็วในการรองรับ PWM ดังนั้นจากการอ่านของฉัน Power MOSFET เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดเมื่อพูดถึงการสลับที่รวดเร็วและความต้านทานต่ำ ดังนั้นฉันจะซื้อเพาเวอร์มอสเฟต P และ N แบบมอสเฟตที่ได้รับการจัดอันดับที่ 24V + และ 6A +, ระดับลอจิก, มี_{DSon ที่}ต่ำและการสลับอย่างรวดเร็ว มีอะไรอีกบ้างที่ฉันควรพิจารณาอีก

ตกลงดังนั้นในการออกแบบสะพาน H: ตั้งแต่ MCU ของฉันจะทำงานที่ 5V จะมีปัญหากับการเปลี่ยน MOSFET P-ช่องปิดตั้งแต่วี_GSความต้องการที่จะเป็นที่ 12V + เพื่อปิดโดยสิ้นเชิง ฉันเห็นว่าเว็บไซต์หลายแห่งกำลังแก้ไขปัญหานี้โดยใช้ทรานซิสเตอร์ NPN เพื่อขับเคลื่อน P-channel FET ฉันรู้ว่าสิ่งนี้ควรใช้งานได้ แต่ความเร็วในการสลับช้าของ BJT จะควบคุมความเร็วในการสลับอย่างรวดเร็วของฉัน!

เหตุใดจึงไม่ใช้ F-channel N เพื่อขับ P-channel FET เหมือนที่ฉันมีในการออกแบบนี้

แผนผัง

การออกแบบนี้ไม่ดีหรือผิดหรือเปล่า? มีปัญหาอะไรบ้างที่ฉันไม่เห็น?

นอกจากนี้ไดโอดแบบกลับด้านที่สร้างขึ้นใน FET เหล่านี้จะเพียงพอที่จะจัดการกับเสียงที่เกิดจากการหยุด (หรืออาจย้อนกลับ) ภาระการเหนี่ยวนำของมอเตอร์ของฉันหรือไม่ หรือฉันยังต้องมีไดโอด flyback ที่แท้จริงเพื่อป้องกันวงจร

เพื่ออธิบายแผนผัง:

Q3 & Q6 เป็นทรานซิสเตอร์ N-channel ด้านต่ำ
Q1 & Q4 เป็นทรานซิสเตอร์ P-channel ระดับสูงและ Q2 & Q5 เป็นทรานซิสเตอร์ N-channel ที่ขับเคลื่อน P-channel เหล่านั้น (ดึงแรงดันลงไปที่ GND)
R2 & R4 เป็นตัวต้านทานแบบดึงขึ้นเพื่อปิด P-channel
R1 & R3 เป็นตัว จำกัด กระแสเพื่อปกป้อง MCU (ไม่แน่ใจว่าพวกเขาจำเป็นต้องใช้กับ MOSFET หรือไม่เพราะมันไม่ได้กระแสมาก!)
PWM 1 & 2 มาจาก 5V MCU
V _ccคือ 12V

— Fahad Alduraibi
แหล่งที่มา

4

โพสต์ของคุณจะสั้นลงโดยที่คุณไม่ต้องขอโทษสำหรับการโพสต์แบบยาวดังนั้นคำขอโทษนั้นไม่จำเป็น :-)

— stevenvh

5V จากคอนโทรลเลอร์ของคุณเพียงพอที่จะเปิดมอสเฟตพลังงานหรือไม่? และตัวต้านทานพื้นฐาน 10k ดูเหมือนจะสูงมากสำหรับฉันถ้าคุณต้องการ PWM!

— Wouter van Ooijen

@Wouter van Ooijen ฉันไม่รู้จริงๆฉันยังใหม่กับสิ่งนี้ทั้งหมดและพยายามทำวงจรอย่างง่ายและหลีกเลี่ยงการใช้ H-Bridge ICs เนื่องจากส่วนใหญ่ต้องใช้ชิ้นส่วนที่รอบคอบอื่น ๆ เป็นพิเศษหากต้องการบางสิ่งที่สนับสนุน 6A + สำหรับตัวต้านทานตามที่แนะนำด้านล่างฉันจะใช้100Ωแทน

— Fahad Alduraibi

@FAD คุณถามว่าวงจรนี้ใช้ได้หรือไม่ แต่คุณไม่ได้กล่าวถึงประเภท FET ที่คุณต้องการใช้ ดังนั้นสิ่งที่ฉันทำได้คือชี้ให้เห็นถึงปัญหาที่อาจเกิดขึ้นมันขึ้นอยู่กับคุณที่จะตรวจสอบแผ่นข้อมูลของ N FET เพื่อตรวจสอบว่าพวกเขาเปิดใช้งานจริงที่ ~ 5V ouput โดยไมโครคอนโทรลเลอร์ของคุณ

— Wouter van Ooijen

@Wouter van Ooijen เกือบทุกระดับตรรกะ N FET ที่ฉันได้ดูจะเปิดที่หรือต่ำกว่า 5v บางคนไปต่ำถึง 2.7v แต่มีข้อ จำกัด บางอย่าง

— Fahad Alduraibi

8

ฉันไม่แน่ใจว่าทำไมคุณคิดว่า BJT ช้ากว่ามอสเฟตกำลังอย่างมาก นั่นไม่ใช่ลักษณะที่แน่นอน แต่ไม่มีอะไรผิดปกติกับการใช้ FET ถ้านั่นคือสิ่งที่คุณต้องการ

และประตู MOSFET นั้นจำเป็นต้องใช้กระแสไฟฟ้าจำนวนมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าคุณต้องการที่จะเปลี่ยนอย่างรวดเร็วเพื่อชาร์จและคายประจุความจุของประตู - บางครั้งอาจถึงไม่กี่แอมป์ ตัวต้านทานเกต 10K ของคุณกำลังจะทำให้การเปลี่ยนผ่านของคุณช้าลงอย่างมาก โดยปกติคุณจะต้องใช้ตัวต้านทานเพียง100Ωหรือมากกว่านั้นในอนุกรมกับประตูเพื่อความเสถียร

หากคุณต้องการเปลี่ยนอย่างรวดเร็วคุณควรใช้ไอซีตัวขับเกตวัตถุประสงค์พิเศษระหว่างเอาต์พุต PWM ของ MCU และ MOSFET พลังงาน ตัวอย่างเช่นInternational Rectifierมีชิปขับหลากหลายรุ่นและมีรุ่นที่จัดการรายละเอียดของไดรฟ์ไฮเอนด์สำหรับ P-channel FETs สำหรับคุณ

เพิ่มเติม:

คุณต้องการเปลี่ยน FET เร็วแค่ไหน? ทุกครั้งที่เปิดหรือปิดสวิตช์พลังงานจะกระจายไประหว่างการเปลี่ยนแปลงและยิ่งคุณทำสิ่งนี้ได้สั้นเท่าไหร่ก็ยิ่งดีเท่านั้น พัลส์นี้คูณด้วยความถี่วัฏจักร PWM เป็นองค์ประกอบหนึ่งของกำลังเฉลี่ยที่ FET ต้องการเพื่อกระจาย - ซึ่งมักจะเป็นส่วนประกอบที่โดดเด่น ส่วนประกอบอื่น ๆ รวมถึงพลังงานในสถานะ (I _D² × R _{DS (ON)}คูณด้วยวัฏจักรหน้าที่ PWM) และพลังงานใด ๆ ที่ถูกเททิ้งลงในไดโอดร่างกายในสภาวะปิด

วิธีง่ายๆในการจำลองการสูญเสียการสลับคือการสมมติว่าพลังงานในทันทีนั้นเป็นรูปคลื่นรูปสามเหลี่ยมซึ่งมีค่าสูงสุดคือ (V _CC / 2) × (I _D / 2) และฐานที่มีค่าเท่ากับเวลาการเปลี่ยนแปลง T _RISEหรือ T _FALL . พื้นที่ของรูปสามเหลี่ยมทั้งสองนี้คือพลังงานการสลับทั้งหมดที่กระจายไปในแต่ละรอบ PWM เต็มรูปแบบ: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8 คูณด้วยความถี่วัฏจักร PWM เพื่อให้ได้พลังงานสูญเสียการสลับโดยเฉลี่ย

สิ่งสำคัญที่ควบคุมเวลาขึ้นและลงคือความเร็วที่คุณสามารถเคลื่อนย้ายค่าเกตและเปิดประตูมอสเฟต MOSFET ขนาดกลางทั่วไปอาจมีค่าใช้จ่ายเกตทั้งหมดในการสั่งซื้อ 50-100 nC ถ้าคุณต้องการที่จะย้ายประจุนั้นพูดว่า 1 yous คุณต้องมีตัวขับเกตที่มีความสามารถอย่างน้อย 50-100 mA หากคุณต้องการให้เปลี่ยนเร็วเป็นสองเท่าคุณต้องใช้กระแสไฟสองเท่า

ถ้าเราเสียบตัวเลขทั้งหมดสำหรับการออกแบบของคุณเราจะได้รับ: 12V × 3A × 2µs / 8 × 32kHz = 0.288 W (ต่อ MOSFET) หากเราสมมติ R _{DS (ON) ที่} 20mΩและรอบการทำงาน 50% การสูญเสียI ² R จะเป็น 3A ² ×0.02Ω× 0.5 = 90 mW (อีกครั้งต่อ MOSFET) เมื่อใช้ร่วมกันทั้งสอง FET ที่ทำงานอยู่ในช่วงเวลาใดก็ตามกำลังจะกระจายพลังงานประมาณ 2/3 วัตต์เนื่องจากการสลับ

ท้ายที่สุดมันเป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพที่คุณต้องการให้วงจรและความพยายามที่คุณต้องการเพิ่มประสิทธิภาพ

— เดฟทวีด
แหล่งที่มา

ขอบคุณสำหรับการตอบกลับ - แก้ไขให้ฉันถ้าฉันผิด แต่ขึ้นอยู่กับสิ่งที่ฉันเห็นในเอกสารข้อมูลสิ่งที่ถือว่าเป็น BJT ที่สลับเร็วมีค่าการสลับในไมโครวินาทีขณะที่ mosfets อยู่ใน 10 วินาทีของนาโนวินาที (อาจมีบางอย่าง ที่ฉันไม่ได้เห็นซึ่งอาจจะเร็ว) สำหรับตัวต้านทานฉันจะใช้100Ωขอบคุณ สุดท้ายสิ่งที่ถือว่าเป็นการเปลี่ยนอย่างรวดเร็วที่อาจต้องใช้ไดรเวอร์เกต? ฉันสามารถเปลี่ยนความเร็ว PWM ใน mcu ของฉันจาก 32K เริ่มต้นเป็นค่าที่ต่ำกว่าเช่น 10k หรือ 1k

— Fahad Alduraibi

1

ฉันไม่ทราบว่าคุณกำลังดู BJT ใด แม้แต่ jellybean 2N3904 ก็มีเวลาขึ้น / ลง / ล่าช้าตามคำสั่งของ 35-50 ns

— Dave Tweed

คุณช่วยแนะนำ BJT ที่เร็วอื่น ๆ ที่สามารถจัดการ ~ 6A ได้ไหม?

— Fahad Alduraibi

2

ในบริบทของคำถามเดิมของคุณคุณได้คัดค้านการใช้ทรานซิสเตอร์ NPN เพื่อขับเคลื่อน PFET ฉันแค่พูดบางอย่างเช่น 2N3904 จะดีสำหรับที่

— Dave Tweed

1

"พลังงานในสถานะ: 0.5 × ID ^ 2 × RDS (ON)" ทำไมต้อง 0.5?

— m.Alin

5

มันเป็นการปฏิบัติที่แย่มากที่จะผูกประตู MOSFET ด้วยกันโดยไม่มีการต่อต้านหรืออิมพีแดนซ์ Q5 และ Q3 ถูกเชื่อมโยงเข้าด้วยกันโดยไม่มีการแยกใด ๆ รวมถึง Q2 และ Q6

หากคุณขับ FET เหล่านี้อย่างหนัก (ซึ่งฉันสงสัยว่าคุณจะลงมือทำ) ประตูสามารถจบลงด้วยการส่งเสียงดังซึ่งกันและกันทำให้เกิดการเปลี่ยนแบบเปิดและปิดที่น่ารังเกียจความถี่สูง (MHz) เป็นการดีที่สุดที่จะแยกค่าความต้านทานประตูที่ต้องการเท่า ๆ กันและใส่ตัวต้านทานหนึ่งตัวเป็นอนุกรมกับแต่ละประตู แม้เพียงไม่กี่โอห์มก็เพียงพอแล้ว หรือคุณสามารถใส่เฟอร์ไรต์บีดบนหนึ่งในสองประตู

— อดัมลอเรนซ์
แหล่งที่มา

ขอบคุณสำหรับคำแนะนำฉันจะใส่ตัวต้านทานขนาดเล็กเป็นอนุกรมที่มี Q2, Q3, Q5 และ Q6 และฉันคิดว่า R1 และ R3 จะไม่จำเป็นอีกต่อไป

— Fahad Alduraibi

แก้ไข. ตัวต้านทานเกตใด ๆ ก็ตามที่คุณตั้งใจจะใช้ให้ทำซ้ำและวางหนึ่งชุดในแต่ละเกต

— Adam Lawrence

คำแนะนำนี้ผิดจริงสำหรับกรณีของสะพาน H ด้วย H-bridge คุณไม่ต้องการตัวต้านทานเพิ่มเติม แต่คุณต้องการให้แน่ใจว่าคุณสามารถควบคุมการยิงได้โดยการปิด high end ก่อนที่จะเปิด low end ด้วยเวลาเพียงเล็กน้อย (คำสั่งของ microsecond)

— Jon Watte

@ JonWatte จังหวะสูงและต่ำนั้นสำคัญในการควบคุมการยิงฉันเห็นด้วย แต่ MOSFET ที่ขนานกันนั้นจำเป็นต้องมีการแยกเพื่อหลีกเลี่ยงเสียงเรียกเข้าซึ่งกันและกัน

— อดัมลอเรนซ์

2

ทำไมต้องลงคะแนน? จุดของฉันเกี่ยวกับเสียงเรียกเข้านั้นใช้ได้ไม่ว่าคุณจะออกแบบแบบยิงทะลุหรือไม่ก็ตาม หากประตูดังขึ้นซึ่งกันและกันพวกเขากำลังทำงานแม้จะมีอินพุตควบคุมของคุณ (สัญญาณขับประตู) ซึ่งเป็นข่าวร้ายโดยไม่คำนึงถึงสิ่งที่คุณควบคุม!

— อดัมลอว์เรนซ์

4

ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นสำหรับประตูของ P-channel FETs นั้นมีขนาดใหญ่เกินไปสองลำดับ ฉันเป่า H-bridge ความถี่ต่ำ (<1 kHz) แบบนี้ทำงานด้วย pull-up 220 ohm; ตอนนี้ฉันอยู่ที่ 100 โอห์มและใช้งานได้ดี ปัญหาคือสิ่งนี้ทำให้เกิดกาฝากที่สำคัญในปัจจุบันผ่านการดึงขึ้นเมื่อเปิด P-channel สำหรับการสูญเสียวัตต์เต็ม! นอกจากนี้ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นจะต้องมีลักษณะเป็นเนื้อวัว - ฉันขนานกับ 1/4 วัตต์บางส่วนและฉันใช้ PWM ค่อนข้างต่ำเช่น 300 Hz

เหตุผลที่สำคัญคือคุณต้องดันกระแสไฟฟ้าจำนวนมากเข้าสู่ประตูเป็นเวลาสั้น ๆ เพื่อเปิด / ปิด MOSFET ทั้งหมด หากคุณปล่อยไว้ในสถานะ "อยู่ระหว่าง" การต่อต้านจะสูงพอที่จะทำให้อุปกรณ์ร้อนขึ้นและปล่อยให้ควันออกมาอย่างรวดเร็ว

นอกจากนี้ตัวต้านทานเกตสำหรับการควบคุม PWM นั้นสูงเกินไป มันก็ต้องอยู่ที่ 100 โอห์มหรือน้อยกว่าเพื่อที่จะขับเร็วพอ หากคุณเรียกใช้ PWM ที่กิโลเฮิร์ตซ์หรือเร็วกว่าคุณต้องการมากกว่านั้นในตอนนั้นให้ไปหา IC ไดรเวอร์

— จอนวัต
แหล่งที่มา

= 1 มันเป็นเรื่องดีที่มีคนรู้ตัวว่าวงจรนั้นเป็นขยะแม้แต่ตามมาตรฐานงานอดิเรก

— ออทิสติก

1

ฉันมีความกังวลเกี่ยวกับความจริงที่ว่าคุณมีทั้งสองด้านของสะพานเชื่อมต่อกับสัญญาณควบคุมเดียวกัน ด้วยความล่าช้าเพิ่มเติมที่กำหนดโดยบัฟเฟอร์ / อินเวอร์เตอร์ N-FET ของคุณคุณสามารถมีทั้ง FET บนและล่างที่ด้านใดด้านหนึ่งของ H-Bridge ในเวลาเดียวกันในช่วงเวลาสั้น ๆ สิ่งนี้อาจทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่สำคัญในการยิงผ่านขาสะพานครึ่งหนึ่งและอาจทำให้พลัง FET ของคุณเสียหาย

ฉันจะให้การเชื่อมต่อแยกจาก MCU ของคุณสำหรับสัญญาณไดรฟ์ FET ทั้งสี่ วิธีนี้คุณสามารถออกแบบให้มีเวลาตายระหว่างการปิด FET ก่อนที่จะเปลี่ยน FET อื่นที่อยู่ด้านเดียวกันของสะพาน

— Michael Karas
แหล่งที่มา

ฉันมีสิ่งนี้อยู่ในใจและวางแผนที่จะแนะนำการหน่วงเวลาเล็กน้อยจาก mcu เพื่อตั้งค่าอินพุตทั้งสองออก (GND) ก่อนที่จะกลับทิศทาง

— Fahad Alduraibi

1

R1 และ R3 จะต้องมี 80 หรือ 100 โอห์ม .. และคุณต้องเพิ่มแรงต้านทาน 1kohm ลงหลัง R1 และ R3 เพื่อดึงไปที่ 0 ทุกครั้งที่ปิดเพื่อให้แน่ใจว่ามันจะปิดอย่างสมบูรณ์ .. และเหมือนที่คุณได้รับการบอกกล่าวถ้าคุณใช้ mosfet driver จะดีกว่าและปลอดภัยกว่าสำหรับคอนโทรลเลอร์ .. และส่วนที่เหลือของวงจรก็โอเค .. อีกอย่างหนึ่งก็คือการตรวจสอบแผ่นข้อมูล mosfets เพื่อให้แน่ใจว่า mosfet เลื่อนเวลาเปิดและปิด (เป็นนาโนวินาที) เพื่อตรวจสอบว่าจะ ทำงานกับ pwm ที่คุณต้องการความถี่ ..

— jad abboud
แหล่งที่มา