Comprensión del diseño del puente H

No entiendo por qué solo uno de los MOSFET funciona con 15V y el otro con 12V.

Ese convertidor DC-DC no se incluyó porque el MOSFET del lado alto necesita 15 V (no los necesita). Se seleccionó el módulo convertidor CC-CC NME1215SC porque es un diseño aislado , lo que significa que (al igual que los controladores de compuerta aislados ópticamente) la entrada de alimentación no está conectada eléctricamente a la salida.

La idea es claramente proporcionar una fuente de alimentación flotante al controlador de la compuerta del lado alto. ¿Por qué el controlador de puerta necesita una fuente de alimentación flotante?
Porque para mantener encendido un MOSFET de canal N, el voltaje de la puerta debe mantenerse por encima del voltaje de la fuente. Esto es un problema, ya que el MOSFET atrae su propia fuente al voltaje de suministro del circuito cuando se enciende, por lo que el controlador de la puerta ahora tiene que suministrar 24 V (en relación con la tierra) a la puerta para mantener la puerta a 12 V en relación. al desagüe.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Su diseño actual utiliza un solo convertidor CC-CC aislado, que se comparte para ambos controladores de compuerta del lado alto. Esto no se puede hacer, lo que debería haber sido evidente cuando tuvo que cortocircuitar el motor para dibujar el esquema. Necesita un suministro aislado dedicado para cada controlador de puerta lateral alta del puente, por lo que dos NME1215SC.

También es posible deshacerse por completo de los convertidores CC-CC aislados y utilizar un diseño de controlador de puerta de arranque . La idea es que cada vez que el MOSFET del lado bajo esté encendido, el pin de suministro negativo (GND) del controlador de compuerta se conecta a tierra, lo que permite que el suministro de 12 V cargue el capacitor C1 a través del diodo D1. Cuando el MOSFET del lado bajo se apaga y el MOSFET del lado alto se enciende, la carga almacenada en C1 mantiene encendido el controlador de la compuerta del lado alto.

^{simular este circuito}

El inconveniente de esto es que no puede mantener el MOSFET del lado alto continuamente, porque C1 eventualmente se descarga demasiado si no se "recarga" regularmente. Esto limita el ciclo de trabajo de PWM máximo que se puede obtener a alrededor del 98% (dependiendo de la carga de puerta del MOSFET, la frecuencia de PWM y la corriente de reposo del controlador de puerta). El tamaño del capacitor, a su vez, pone un límite a la frecuencia PWM mínima que puede usar.

Creo que sería aceptable conducir ambos con 15V

No solo es aceptable, es beneficioso ya que los voltajes de fuente de puerta (Vgs) más altos reducen las pérdidas de conducción. Dicho esto, obtiene rendimientos decrecientes que elevan Vgs, e incluso 12 V es un nivel de accionamiento de puerta suficiente.

El IRF630 no encaja bien con la aplicación. No solo es antiguo, sino que también está diseñado para resistir un voltaje innecesariamente alto (200 V) que viene con una compensación: una resistencia de estado de encendido de fuente de drenaje deficiente (Rds (encendido)) de 400 mΩ y una corriente nominal de solo 6A. Los MOSFET modernos de bajo voltaje a menudo están por debajo de 1 mΩ, lo que elimina la necesidad de un disipador de calor para muchos controladores de motor.

Si bien los motores de perforación inalámbricos de 12 V tienden a no tener corrientes de carga del orden de 1,5 A, pueden extraer casi 100 A cuando se paran, lo que aniquilará los IRF540, por no hablar de los IRF640. A menos que "arranque suavemente" el motor aumentando gradualmente el voltaje promedio (que usted controla con el ciclo de trabajo PWM), la corriente de arranque aumentará cerca de la corriente de bloqueo durante una fracción de segundo, lo que podría explotar los MOSFET.

Si no implementa la protección contra sobrecorriente (detecta la corriente del motor y reduce el voltaje en respuesta a la sobrecorriente), en su aplicación usaría MOSFET que tienen una clasificación de 100 A o más y 25 V o más. Puede encontrar buenos candidatos (por ejemplo, IRFB7440GPbF , STP200N3LL ) utilizando la búsqueda paramétrica de digikey, mouser, farnell, etc.

Si no están disponibles, puede conectar varios MOSFET de baja especificación en paralelo (aunque cada uno con su propia resistencia de compuerta), ya que, a diferencia de los BJT, los MOSFET compartirán la corriente muy bien.

Creo que sería aceptable conducir ambos con 15V

El convertidor de CC a CC NME1215SC no necesita ser del tipo de salida de 15 voltios; podría ser un tipo de salida de 12 voltios y aún funcionaría. Entonces, si un riel de alimentación es de 15 voltios, ambos son de 15 voltios o ambos son de 12 voltios, no es realmente un problema.

Sin embargo, necesita usar un convertidor de CC aislado en este tipo de diseño porque necesita controlar los transistores del lado superior a un voltaje de fuente de compuerta mayor que el voltaje del riel de alimentación de CC en sus drenajes. Esto se debe a que los MOSFET del lado superior están conectados como seguidores de voltaje y, para garantizar adecuadamente que se enciendan con una baja impedancia (drenaje conectado a la fuente internamente), la compuerta debe elevarse varios voltios por encima del voltaje de drenaje.

Por lo tanto, el -Vout del convertidor de CC aislado DEBE conectarse a la alimentación de 12 voltios entrante (y drenajes). Por el momento se ha olvidado de hacer esta conexión, por lo que le insto a que la corrija. Sin embargo, probablemente sea mejor usar dos convertidores de CC con el -Vout conectado a la conexión de salida de cada medio puente.

EDITAR: el voltaje máximo que puede tomar el HCPL3180 es de 25 voltios, por lo que necesitará dos convertidores de CC con cada conexión -Vout vinculada a sus respectivas salidas de medio puente.

¿Podría alguien ayudarme a comprender el propósito de las resistencias y los diodos utilizados?

D4, D5, D6 y D8 son diodos zener de 15 voltios y protegen la fuente de la puerta de una posible sobretensión. Para usar zeners para esto, necesita una resistencia en serie y ahí es donde las resistencias 22R juegan un papel: limitan la corriente en el zener y, por lo tanto, los protegen de la sobrecarga.

D2 y R3 (10 ohmios) aumentan ligeramente el tiempo de apagado de cada MOSFET al extraer corriente de la capacitancia de la puerta un poco más rápido de lo que extraerían las resistencias 22R. Muchos diseños de puente H probablemente no se molestarían con D2 y R3.

Las resistencias de 220k son para garantizar que los MOSFET se apaguen en caso de que se desconecte la alimentación, es decir, descargan la capacitancia de la fuente de la puerta.

Sección EDIT compadeciéndose del OP e intentando corregir su esquema: -