Conducción directa de fuente de 5V MOSFET H-Bridge con lógica de 3.3V

Estoy tratando de diseñar un circuito de puente H para mi proyecto para impulsar un enfriador termoeléctrico (TEC). Básicamente, estoy tratando de controlar el TEC con una fuente de voltaje impulsada por PWM.

Ahora el problema es que tengo una fuente de 5V CC pero mi microcontrolador ( ESP8266 ) usa una lógica de 3.3V. Dado que el espacio para los componentes es limitado, me gustaría controlar el MOSFET directamente desde el microcontrolador.

Construí un circuito basado en algunas cosas que encontré en Internet, pero no estoy seguro de si es correcto. Se espera que el TEC que estoy usando consuma hasta 1A a 1.7V (máximo); los MOSFETS que estoy usando son ROHM RZR040P01TL (tipo p) y RUR040N02TL (tipo n) que tienen una clasificación de 4A, tienen Vgs (th) ~ = 1.3V y diodos de protección GS incorporados.

  1. Como nunca antes había diseñado un puente H, mi primera pregunta sería sobre el diseño. ¿Parece algo que funcionaría o me estoy perdiendo algo aquí?
  2. Cuando aumenté la señal PWM por encima de cero, hubo un ruido de tono alto proveniente de los MOSFET. ¿Es esto algo de esperar o eso indica un problema en el circuito?

Intenté enviar PWM de ciclo de trabajo bajo desde el microcontrolador (1-10 %), que parecía funcionar bien; mientras que los MOSFET seguían zumbando, el TEC funcionaba bien y había alrededor de 0,4 V de voltaje en los terminales (que esperar). Sin embargo, cuando aumenté el ciclo de trabajo al 20 %, uno de los MOSFET tipo N explotó.

Supongo que esto sucedió porque el MOSFET se sobrecalentó o porque hice algo terriblemente mal en el diseño de mi circuito.

Apreciaría algunos consejos sobre la construcción de circuitos MOSFET H-Bridge en general, así como algunas recomendaciones específicas para este diseño en particular.

Diseño original

Actualización #1:

He rediseñado el circuito para tener cada interruptor MOSFET por separado como sugirió @WhatRoughBeast. También agregué dos MOSFET tipo N para controlar las puertas tipo P que deberían resolver el problema de la diferencia de voltaje. Esto parece haber resuelto el problema del ruido: ahora solo aparece el zumbido si reduzco la frecuencia de conmutación a 5 kHz o menos.

En la configuración actual, estoy tratando de controlar la dirección y el voltaje mediante:

  • tener B1 y B2 configurados en BAJO, A2 en ALTO y A1 controlando PWM

  • tener A1 y A2 configurados en BAJO, B1 en ALTO y B2 controlando PWM

Si bien los MOSFET parecen estar funcionando ahora (como si no se sobrecalentaran ni explotaran), parece que tengo otro problema: con el suministro de 5 V, independientemente del ciclo de trabajo de PWM que use, el TEG siempre recibe los 4.5 V completos (usando 10-20 kHz) .

circuito rediseñado

Primera pregunta: que haces con el Tec que necesitas corriente en los dos sentidos? ¿Estás tratando de calentar y enfriar?
Segunda pregunta: ¿Realmente necesitas esos filtros de paso bajo? A sus MosFET no les gustarán los picos inductivos que causarán.
Tercera pregunta: ¿Ha analizado los tiempos de conmutación de esos MosFET? ¿Existe la posibilidad de disparar? Eso matará a un FET antes de que puedas decir "¿Cómo debería controlar realmente estas puertas?".
Hola, Mark. Sí, estoy construyendo un regulador de temperatura que debería poder calentar y enfriar. Con respecto al filtro LC, he visto una publicación sobre la conducción de TEC con PWM y se sugirió encarecidamente agregar un paso bajo para filtrar la señal PWM. Supongo que podrían eliminarse si cambiara lo suficientemente rápido. Potencialmente hubo un tiroteo. Sin embargo, lo he rediseñado tal como sugirió WhatRoughBeast y ahora solo tengo una puerta controlada por PWM a la vez.

Respuestas (3)

Debe conducir este tipo de puente con al menos 5 V (o cerca de 4,7 V garantizará menos de 1 mA de conducción según la hoja de datos ).

ingrese la descripción de la imagen aquí

Tal como lo tiene, cuando una entrada al puente es de 3,3 V, el MOSFET del canal N está 'encendido', pero el canal P también está bastante encendido con una unidad nominal de 1,7 V, y normalmente conducirá varios amperios de actual, que lo freirá o el canal N o ambos, dependiendo.

Puede usar un traductor de voltaje o un controlador MOSFET. Este último será capaz de manejar mucha más corriente y resultará en menos calentamiento, pero costará más.

Gracias por la información @ Spehro. De alguna manera debo haber cometido un error en mis cálculos al mirar las especificaciones. He estado pensando y pensé que debería ser posible hacer uso de los MOSFET de tipo N sobrantes que tengo para construir un interruptor de segunda capa. imgur.com/Ao5RcxI

Otra forma de ver esto es ver qué sucede con los transistores cuando el voltaje de la puerta pasa de cero a 5 voltios. Spehro ha señalado la calificación adecuada en la hoja de datos.

Si el voltaje es inferior a 0,3 voltios, el tipo p estará encendido (voltaje de fuente de compuerta 4,7 o más) y el tipo n estará apagado. Para voltajes superiores a 4,7, el tipo p estará apagado y el tipo n estará encendido. Para cualquier voltaje superior a 0,3 y inferior a 4,7, ambos transistores estarán encendidos y uno u otro se calentará mucho. Esto supone, por supuesto, que utiliza el Vgsth mínimo. Dado que esto está especificado para 1 mA, es muy conservador, pero está bastante claro que usar 1 voltio lo meterá en problemas. La condición de que ambos FET estén encendidos simultáneamente se llama "disparo directo" por razones obvias.

Tienes dos caminos posibles por recorrer. El primero es conseguir un controlador de puerta. Esto hará la transición a través de su zona de peligro muy rápidamente, y el disparo solo durará unas decenas de nanosegundos.

La otra posibilidad es escalonar la temporización de los dos impulsores de compuerta de modo que solo se active uno en cualquier momento. Esto a menudo está integrado en puentes integrados y controladores de puente. Requerirá mucho más pensamiento y esfuerzo que hacerlo de la forma en que lo está haciendo ahora.

La forma más sencilla de escalonar los voltajes de la puerta es tener un circuito de retardo unidireccional RCD con una lógica NAND humilde. Dos puertas lógicas para el lado positivo y una para el lado negativo si desea utilizar la misma señal PWM para ambos.

Hay formas alternativas de hacer esto. En este momento tienes dos circuitos buck de sincronización. Puede reemplazar esto con un solo controlador buck que no necesita ser síncrono a una salida de 1A. Además de eso, necesitaría un conjunto de mosfets que puedan invertir la polaridad TEC. En esencia, un par de N-MOSFET que conectarán + a 1.7V y - a GND. Y un segundo par que conectará + a GND y - a +1.7V.

Esto es probablemente más fácil de lograr que dos circuitos syncbuck separados, ya que solo necesita una señal PWM y dos señales de encendido/apagado con un transistor NPN de colector abierto para permitir que los Mosfet superiores tengan un voltaje de puerta completo de +5V. 1.7 + 1.3 = 3V pero con 5V está firmemente en la región de saturación con un RDS mínimo.

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