Control de motor PWM, MOSFET se calienta mucho

El voltaje de umbral de IRF3205 está entre 2V-4V y Raspberry Pi da una señal de 3.3v que estará bien

No. El umbral de la puerta es donde el MOSFET apenas comienza a conducir. Entonces, si varía entre 2 y 4 V y está aplicando 3.3 V, en el mejor de los casos apenas lo enciende y, en el peor de los casos, no lo enciende en absoluto. Utiliza al menos los Vgs enumerados para obtener el RDson calificado en la hoja de datos. Debería estar aplicando un Vgs de al menos 10V.

Ignore Vgsth cuando use MOSFET como interruptor.

También necesita un controlador de puerta que haga tres cosas:

1. Suministros más actuales que tu GPIO
2. Suministra más voltaje que su GPIO si la fuente de puerta MOSFET lo requiere
3. Permite que su GPIO de bajo voltaje y baja corriente controle los dos anteriores.

Su GPIO no puede absorber o generar suficiente corriente para cargar/descargar la capacitancia de la fuente de la puerta lo suficientemente rápido, por lo que lo que sucede es que su MOSFET pasa demasiado tiempo en la región de transición ineficiente entre la conducción y el bloqueo donde actúa como un resistor de valor moderado . Cuando se bloquea, hay mucho voltaje en el MOSFET pero no hay corriente, por lo que no hay calor. Cuando conduce, hay mucha corriente a través del MOSFET pero poco voltaje a través de él, por lo que hay poco calor. Durante la región de transición hay mucha corriente a través del MOSFET y mucha tensión a través del MOSFET, así que MUCHO calor.

Si solo enciende y apaga el MOSFET de vez en cuando, puede salirse con la suya con la transmisión directa de GPIO (si el MOSFET es de nivel lógico, el suyo no lo es) ya que el tiempo que pasa en la región de transición es una fracción muy pequeña del tiempo de funcionamiento total y no hay mucho tiempo para refrescarse. Pero cuando está haciendo PWM, está cambiando miles de veces por segundo, está ingresando a la región de transición con la misma frecuencia.

Puede comprar circuitos integrados de controlador de compuerta o puede hacer los suyos propios a partir de transistores discretos en configuraciones push-pull o tótem.

• si elige usar MOSFET en el cambiador de nivel, deben ser de nivel lógico o, de lo contrario, obviamente se encontrará con el mismo problema que está tratando de resolver
• como se muestra a continuación, el PMOS debe tener |Vgs max| > 10 o 15 V, ya que eso es lo que será cuando el GPIO jale su compuerta a LO. De lo contrario, se deben agregar zeners y resistencias para sujetar el PMOS Vgs a niveles tolerables.
• Desea que estos MOSFET sean pequeños para que tengan una capacitancia de fuente de compuerta baja y puedan responder rápidamente al GPIO débil.

CORRECCIÓN PARA EL ESQUEMA ANTERIOR: La resistencia de 1 MOhm en la entrada del controlador de compuerta debe ser pull-up, no pull-down. El sitio web ha fallado y ya no puedo editar el esquema.

En el cambiador de nivel, una fuente de corriente o un pull-up activo (hecho de transistores) será más rápido que una resistencia de pull-up ya que no hay una constante de tiempo RC que a su vez cambiará los MOSFET del controlador de compuerta más rápidamente (si está usando MOSFET). en la etapa de controlador de puerta).

Las resistencias de 5 ohmios están ahí para limitar los disparos, ya que ambos transistores del controlador de compuerta están siendo controlados por la misma señal de control, por lo que no hay garantía de que ambos no conduzcan moderadamente cuando uno se apaga y el otro se enciende.

Dependiendo de los detalles del transistor que esté utilizando y de cómo resulte exactamente la unidad para ellos, es posible que pueda quitar las resistencias de 5 ohmios y simplemente tolerar la corriente de disparo si es lo suficientemente pequeña y rápida.

Otra forma de lidiar con los disparos (al menos cuando se usan MOSFET en el controlador de la puerta) es usar diodos para enrutar las rutas de corriente de la puerta a través de diferentes componentes durante la carga y descarga de la capacitancia de la fuente de la puerta para que el tiempo de apagado sea más rápido que el encender el tiempo. Esto no funciona con los BJT cuyo control depende más de las corrientes del emisor base que del voltaje del emisor base. Por cierto, este enfoque también funciona para los MOSFET de potencia en medios puentes y puentes H donde no puede usar ningún otro método de manejo de disparos mencionado en esta respuesta que se base en la potencia de estrangulamiento (produce demasiado calor para alta potencia circuitos). Mi opinión es que, en ese caso, solo debe usar señales de puerta controladas de forma independiente, pero para los controladores de puerta nadie quiere esa complejidad adicional.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

También puede intercambiar las posiciones de NMOS/NPN y PMOS/PNP de la etapa del controlador de compuerta para una configuración sin disparos. Esto los hace actuar como seguidores de fuente/emisor, más como amplificadores con un cruce controlado que como interruptores. Esto le permite eliminar las resistencias de 5 ohmios que solo están allí para limitar las corrientes de disparo, lo que evita que limiten la carga / descarga actual de su capacitancia de fuente de puerta MOSFET de potencia. Pero el precio que paga por esto es que no alcanzarán el voltaje del riel tan cerca, pero sin esas resistencias atravesarán la región media más rápidamente.

^{simular este circuito}

¡No puede usar una resistencia de 1kR en la puerta! Quiero decir, puede, pero luego el MOSFET se enciende y apaga lentamente, por lo tanto, tiene una potencia distinta de cero durante un tiempo más largo en el ciclo. Y se calienta... Use un voltaje de 5-10V y una resistencia más pequeña. O de menor frecuencia.

Otras sugerencias son correctas, pero para una mejora inmediata, encuentre un fet de "nivel lógico" que pueda operar con un controlador de compuerta de 3.3V. No son los mejores pero existen.

Cambie el 1k a <100 ohmios y el 10K a 100K o elimínelo (el divisor que se muestra está ralentizando la activación de la compuerta y reduciendo aún más el voltaje de la activación de la compuerta).

Para responder a la otra mitad de la pregunta, podría usar un diodo Schottky (con una clasificación de corriente adecuada) como diodo de retorno para reducir su temperatura. La idea es que la diferencia de potencial más baja en el diodo Schottky dará como resultado un calentamiento de voltaje x corriente más bajo.

Puede agregar una resistencia* de valor pequeño en serie con el diodo para compartir la disipación de calor que, de otro modo, se compartiría entre el diodo y los devanados del motor.

* La determinación de un valor adecuado y una potencia nominal se deja como ejercicio para el lector.