Esse é um bom design para o MOSFET H-Bridge?

Eu tenho procurado ao redor tentando projetar um H-Bridge simples, mas funcional, para um motor de carro RC (12V e 2 ~ 3A).

Essa ponte será acionada a partir de um microcontrolador e precisará ser rápida para oferecer suporte ao PWM. Portanto, com base nas minhas leituras, o Power MOSFET é a melhor escolha quando se trata de comutação rápida e baixa resistência. Então, eu vou comprar MOSFETs de potência de canal P e N classificados em 24V + e 6A +, nível lógico, ter _DSon baixo R e comutação rápida. Há mais alguma coisa que eu deva considerar?

Ok, vamos ao projeto da ponte H: Como meu MCU estará funcionando a 5V, haverá um problema em desligar o MOSFET do canal P, pois os _Vs precisam estar em 12V + para desligar totalmente. Vejo que muitos sites estão resolvendo esse problema usando um transistor NPN para acionar o FET do canal P. Sei que isso deve funcionar, no entanto, a lenta velocidade de comutação do BJT dominará meu FET de comutação rápida!

Então, por que não usar um FET de canal N para guiá-lo como o que tenho neste projeto?

Esse design é ruim ou errado? Existe algum problema que não estou vendo?

Além disso, o diodo reverso incorporado nesses FET será suficiente para lidar com o ruído causado pela interrupção (ou talvez reversão) da carga indutiva do meu motor? Ou ainda preciso ter diodos flyback reais para proteger o circuito?

Para explicar o esquema:

• Q3 e Q6 são os transistores de canal N do lado inferior
• Q1 e Q4 são os transistores do canal P do lado superior e Q2 e Q5 são os transistores do canal N que acionam esse canal P (reduza a tensão para GND).
• R2 e R4 são resistores pull up para manter o canal P desligado.
• R1 e R3 são limitadores de corrente para proteger o MCU (não tenho certeza se são necessários com MOSFETs, pois eles não consomem muita corrente!)
• PWM 1 e 2 são provenientes de um MCU de 5V.
• V _cc é 12V

Não sei por que você acha que os BJTs são significativamente mais lentos que os MOSFETs de potência; isso certamente não é uma característica inerente. Mas não há nada de errado em usar FETs, se preferir.

E as portas MOSFET realmente precisam de quantidades significativas de corrente, especialmente se você quiser trocá-las rapidamente, para carregar e descarregar a capacitância do portão - às vezes até alguns amplificadores! Seus resistores de porta de 10K vão desacelerar significativamente suas transições. Normalmente, você usaria resistores de apenas 100Ω ou mais em série com os portões, para estabilidade.

Se você realmente deseja comutação rápida, deve usar ICs de driver de porta de finalidade especial entre a saída PWM do MCU e os MOSFETs de energia. Por exemplo, o International Rectifier possui uma ampla variedade de chips de driver e existem versões que lidam com os detalhes da unidade lateral alta dos FETs de canal P para você.

Adicional:

Com que rapidez você deseja que os FETs mudem? Cada vez que alguém liga ou desliga, ele dissipará um pulso de energia durante a transição, e quanto mais curto você conseguir, melhor. Esse pulso, multiplicado pela frequência do ciclo PWM, é um componente da potência média que o FET precisa dissipar - geralmente o componente dominante. Outros componentes incluem a energia no estado (I _D ² × R _{DS (ON)} multiplicada pelo ciclo de trabalho PWM) e qualquer energia despejada no diodo do corpo no estado desligado.

Uma maneira simples de modelar as perdas de chaveamento é assumir que a potência instantânea é aproximadamente uma forma de onda triangular cujo pico é (V _CC / 2) × (I _D / 2) e cuja base é igual ao tempo de transição T _RISE ou T _FALL . A área desses dois triângulos é a energia total de comutação dissipada durante cada ciclo PWM completo: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Multiplique isso pela frequência do ciclo PWM para obter a potência média de perda de comutação.

A principal coisa que domina os tempos de subida e descida é a rapidez com que você pode mover a carga do portão para dentro e para fora do portão do MOSFET. Um MOSFET de tamanho médio típico pode ter uma carga total da porta da ordem de 50-100 nC. Se você deseja transferir essa carga, digamos, 1 µs, precisa de um driver de porta capaz de pelo menos 50-100 mA. Se você deseja alternar duas vezes mais rápido, precisa do dobro da corrente.

Se inserirmos todos os números para o seu projeto, obtemos: 12V × 3A × 2µs / 8 × 32kHz = 0,288 W (por MOSFET). Se assumirmos R _{DS (EM)} de 20mΩ e um ciclo de trabalho de 50%, então os eu ² perdas R será 3A ² × 0.02Ω × 0,5 = 90 mW (novamente, por MOSFET). Juntos, os dois FETs ativos em um determinado momento dissiparão cerca de 2/3 watt de energia por causa da comutação.

Por fim, é uma troca entre a eficiência que você deseja que o circuito seja e quanto esforço você deseja fazer para otimizá-lo.

É uma prática extremamente ruim amarrar as portas do MOSFET sem resistência ou impedância entre elas. Q5 e Q3 são interligados sem nenhuma separação, assim como Q2 e Q6.

Se você acabar dirigindo esses FETs com força (o que eu suspeito que você vai acabar fazendo), os portões podem acabar tocando um com o outro, causando transições espúrias graves de ativação e desativação de alta frequência (MHz). É melhor dividir igualmente a resistência necessária da porta e colocar um resistor em série com cada porta. Até alguns ohms são suficientes. Ou, você pode colocar um cordão de ferrite em um dos dois portões.

Os resistores de pull-up para a porta dos FETs do canal P são da ordem de duas magnitudes muito grandes. Soprei uma ponte H de baixa frequência (<1 kHz) como esta, funcionando com um pull-up de 220 ohm; Agora estou em 100 Ohms e funciona bem. O problema é que isso causa uma corrente parasitária significativa através do pull-up ao ligar o canal P, para uma perda de um watt completo! Além disso, o resistor pull-up precisa ser robusto - paralelo a 1/4 de watts e corro o PWM bem baixo, como 300 Hz.

O motivo disso é que você precisa colocar muita corrente no portão por um período muito curto para ativar / desativar o MOSFET. Se você o deixar no estado "intermediário", a resistência será alta o suficiente para aquecer o dispositivo e rapidamente liberar a mágica.

Além disso, o resistor de porta para os controles PWM é muito alto. Ele também precisa estar na ordem de 100 ohms ou menos para conduzi-lo com rapidez suficiente. Se você executar o PWM em kilohertz ou mais rápido, precisará de ainda mais; nesse momento, procure um driver IC.

Eu tenho alguma preocupação com o fato de você ter os dois lados da ponte conectados aos mesmos sinais de controle. Com o atraso adicional imposto pelo seu buffer / inversor N-FET, você pode ter os FETs superior e inferior de um lado do H-Bridge ligados ao mesmo tempo por curtos períodos de tempo. Isso pode fazer com que uma corrente significativa passe pela metade da ponte e possivelmente danifique os FETs de potência.

Eu forneceria conexões separadas do seu MCU para todos os quatro sinais da unidade FET. Dessa forma, você pode projetar um tempo morto entre desligar um FET antes de ligar o outro FET no mesmo lado da ponte.

R1 e R3 devem ser de 80 ou 100 ohm .. e você precisa adicionar uma resistência de 1kohm logo após R1 e R3 para puxá-la para 0 sempre que estiver desligado para garantir que esteja completamente desligado .. e, como você foi informado se usar driver mosfet será melhor e mais seguro para o controlador .. e o resto do circuito está ok .. outra coisa é verificar a folha de dados mosfets para garantir que o tempo mosfet seja ligado e desligado (em nano segundos) para verificar se trabalhe com a frequência desejada pwm ..