controlador de puente H

Actualmente estoy trabajando en algún proyecto de hobby. Tengo un motor de CC de 24 V y 2 A que quiero manejar. Diseñé una placa con un IC designado para impulsar el motor, funcionó muy bien. Pero luego pensé que intentaría diseñar mi propio controlador de motor de puente H para no estar sujeto a los parámetros del IC (límite de corriente de 4A, se sobrecalienta fácilmente, etc.)

Entonces mi pregunta es: ¿es este un buen diseño de puente H?

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No estoy buscando un diseño de 3 pines, por lo que mi pregunta no es sobre eso. Quiero un puente H de 4 pines, donde pueda controlar cada pin con una MCU. He visto algunos diseños en Internet, casi todos están de acuerdo con el MOSFET de canal N en el lado bajo y el MOSFET de canal P en el lado alto, con los diodos flyback paralelos a cada MOSFET.

Pero ¿qué pasa con el BJT? ¿Es una buena idea conducir el P-MOSFET a través de BJT? Supongamos que una MCU STM32 de 3,3 V como unidad de control, los pines que puede ver aquí están conectados directamente a los pines GPIO de la MCU. ¿Son las resistencias del valor correcto?

Según tengo entendido, R15 y R42 se "usan" como resistencias limitadoras de corriente, pero no fluye tanta corriente de esa manera, por lo que los valores pequeños como 100ohm o 1k están bien.

R31 y R40 son resistencias desplegables, ¿necesitan un valor alto como 10k, 100k para tener solo una pequeña corriente allí?

R17 y R22 son resistencias pull-up cuando el BJT está apagado, ¿los mismos valores grandes que las resistencias pull-down anteriores?

Supongo que R1 y R39 también limitan la corriente, pero no tengo idea de cuál es un buen tamaño allí.

¿A qué más debo prestar atención? Supongo que debería elegir transistores de canal P que puedan manejar altas corrientes y altos voltajes, también el voltaje de puerta de 24V. MOSFET de canal N para poder manejar grandes corrientes. ¿Y el BJT? ¿Cómo elijo ese?

Entonces, sí, en conjunto, mi pregunta es: ¿es este un buen circuito? ¿Funcionará? ¿Cómo elegir los tamaños de resistencia y BJT?

¡EDITAR!

Basado en los comentarios que recibí (muchas gracias), rediseñé el esquema:

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El PWM de lado bajo fue una buena sugerencia, no pensé en eso. Reduje los tamaños de las resistencias desplegables para que la conmutación sea más rápida. Basado en otro comentario muy útil, introduje un diodo zener de 15 V en ambos lados para proteger la puerta de mi MOSFET de sobrevoltaje. También reemplacé el BJT con exactamente el mismo interruptor N-MOSFET que uso en el lado bajo.

Sin embargo, no entendí lo del condensador de refuerzo :(

¿Que piensas ahora?

Creo que la solución más común es usar todo Nch con habilitar en la parte superior para la dirección y PWM en la parte inferior con el límite de refuerzo para el voltaje de la puerta en la parte superior para obtener mayores velocidades desde un Rdson más bajo y, por lo tanto, relaciones R/L y pérdidas más bajas. Pero el tiempo muerto también depende de esta constante de tiempo.
¿Están bien los P-FET con 24 V + margen en la puerta? Le pondría un zener.
Si uno usa 2N3904 para el comando "digital", use un esquema con 2 diodos anti-saturación. Será una conmutación más rápida.
Bien. Simulación hecha. Los diodos no parecen necesarios. Lo siento.
De todos modos, tenga en cuenta que hay un condensador de entrada del MosFet de aproximadamente 1500pF. Entonces la conmutación será más lenta. Mi evaluación de 45us en el tiempo. R17 y R22 pueden ser inferiores. (1k)
Gracias por los comentarios, fueron muy útiles. Edité la pregunta, agregué el nuevo esquema. Si tienes alguna sugerencia para ese circuito, te agradecería que me la compartieras.
Intenté simular el MOSFET-P. Extraños resultados. ¿Error en mi simulador? No se donde se me escapa algo. Los MOSFET-N están bien. ¿Qué modelo (Q3 y Q5)? Q1 y Q6 son "nivel lógico".
Solo controlador simulado (BS107) y FQP27P06. Extraños resultados. Off/On ... instantáneo OK. Toma de encendido/apagado ~ 85 us @2A ???
bueno, no elegí específicamente ningún modelo exacto, se trata más de la lógica y la función. Pero me gustaría convertir Q3 y Q5 con un PWM de 3,3 V de un MCU STM32. Y sí, Q1 y Q6 también con GPIO de 3.3V.
Tuve que cambiar R17 = 1k y R41 = 0. El tiempo ahora es 8us On/off. Debe buscar tal "nivel digital" ... :) El controlador BS107 parece estar bien. Solo verifique que la potencia sea lo suficientemente alta.
Lo siento. BS107 está bien para 5V, no para 3.3V. (simulado)
gracias por las simulaciones :)
controlador de ejemplo RSU002N06; Consulte para buscar lo que desea, precio más bajo (ejemplo MOSFET-P 3.3V logic 60V min 40A) en el sitio o similar eu.mouser.com/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/… ¡Buena suerte!

Respuestas (3)

Pero ¿qué pasa con el BJT? ¿Es una buena idea conducir el P-MOSFET a través de BJT?

Está bien, no importa lo que use para controlar los mosfets de puente H tanto como el tiempo que se tarda en cambiar el voltaje de la puerta.

Hay dos problemas:

  1. Largos tiempos de conmutación
  2. El lado alto y el lado bajo están encendidos al mismo tiempo

Los largos tiempos de conmutación disipan el calor en el mosfet. Si el mosfet está completamente apagado, tiene una corriente muy baja/alta resistencia y hay poca disipación de energía. Si el mosfet está completamente encendido, tiene alta corriente/baja resistencia y más disipación de potencia, pero en muchos fets, el Rdson es inferior a 1Ω o en el rango de mΩ, por lo que las corrientes grandes aún disiparán el calor que el paquete puede manejar.

El problema cuando el voltaje de la puerta está en algún lugar en el medio y la resistencia en el mosfet es igual a la carga. En ese punto, el fet disipará la misma mitad de la potencia en la carga (y es el punto de máxima potencia). Esto solo puede suceder por un corto tiempo, lo que dependerá de una gran variedad de factores, la corriente, la resistencia del fet y la capacitancia de la puerta y las otras capacitancias del fet si se cambia rápido.

La otra cosa que desea evitar es que el lado alto y el lado bajo estén encendidos al mismo tiempo, esto puede ser más difícil al usar p-ch y n-ch al mismo tiempo (generalmente uso todos los n-ch, en el lado alto se vuelve difícil encender la puerta, pero hay muchas maneras de superar este problema).

Al final del día, lo mejor es una simulación de especias para verificar que los pies no se estén quemando.

¿Que piensas ahora?

Creo que probablemente deberías simularlo en un paquete de especias LT, por lo general, al que voy. En general, el diseño se ve mucho mejor y la sección alta del puente debería cambiar más rápido.

La razón es que hay muchos problemas que son más fáciles de detectar. Es mucho más fácil ver si ambos lados, alto y bajo, están desactivados al mismo tiempo.

Asegúrese de verificar la disipación de energía de las piezas. También es bueno para simular cargas, especialmente cargas que pueden cambiar la corriente de entrada. La inductancia de los cables o elementos capacitivos puede causar problemas en un puente h.

Otro problema que puede enfrentar es el cambio de dirección del motor, ya que el motor es un elemento inductivo grande y también puede verse afectado por la EMF inversa y la carga mecánica. Probablemente sería prudente no cambiar de dirección de inmediato, ya que eso generaría grandes cantidades de corriente y quemaría elementos, también depende del motor. Si está cambiando de dirección, puede esperar un período de tiempo para que el motor disminuya la velocidad y luego gire hacia el otro lado.

Si esto es una o dos cosas, eche un vistazo a un módulo puente BTS7960. Tiene un montón de campanas y silbatos que puede que quieras o no, pero funcionan muy bien, he usado más de una docena de ellos. Compré dos docenas de maye hace dos años por menos de $ 8.00 US entregados en mi puerta.
Tenga cuidado al simular, ya que puede pasar por alto fácilmente la disipación de potencia promedio de un circuito. Las escalas de tiempo son mucho más cortas (~ms/s o menos de la velocidad de simulación) y los dispositivos no explotan cuando se abusa de ellos; el simulador simplemente asume que sabes lo que estás haciendo. :)
@TimWilliams: ¿existe una opción de línea de comandos para comenzar a hacer que los dispositivos exploten cuando deberían? ;-} Sin embargo, eso sería muy útil, ¿no crees?
@MicroservicesOnDDD Bromeas, pero creo que algunos simuladores en el pasado han proporcionado una indicación visual de cosas como esa. Desventaja: termina siendo más un truco intrusivo que un modelado útil; por ejemplo, un fusible basado en corriente absoluta, en lugar de un modelo térmico real.

Construí su circuito (en la vida real) pero cambié los valores de resistencia para ambos lados Alto/Bajo a 10k/460 (en lugar de 100K/10K para el lado Alto y 10K/100 para el lado Bajo, respectivamente), y funciona bien. Hice el cambio de resistencia para poder usar un optoacoplador LTV-846 para el control, y no preocuparme por instalar BJT y sus circuitos.

En general, funcionó según lo previsto a 12V, pero no creo que puedas ir a 24V. Medí con un alcance y noté que el P-MOSFET de "bloqueo" del lado alto ve un voltaje de puerta a drenaje igual al voltaje aplicado a la carga. Entonces, si la rama conductora aplica 24 V a la carga, el P-MOSFET de bloqueo ve esos 24 V desde la puerta hasta el drenaje.

Sé que se supone que el límite de puerta de 20 V es de puerta a fuente (que en su diseño está protegido por el Zenner), pero este voltaje de puerta a drenaje de alguna manera destruyó uno de mis MOSFET de lado alto. Medí el voltaje a través del Zenner y es muy borroso pero permanece en 5V más o menos. Todo es color de rosa a 12V.

the blocking P-MOSFET sees those 24 V from Gate to Drain¿Dónde está el problema? ¿Te refieres al esquema inicial o al "con los diodos Zener"? Hay un límite de 60 voltios para V D S S , y espero que la puerta esté sesgada al máximo en la dirección opuesta para un total de 85 voltios. Los límites del diodo Zener V GRAMO S muy dentro de ± 25 V, que resulta ser más de 24 voltios, de todos modos.