¿Es este un buen diseño para MOSFET H-Bridge?

No estoy seguro de por qué cree que los BJT son significativamente más lentos que los MOSFET de potencia; eso ciertamente no es una característica inherente. Pero no hay nada de malo en usar FET si eso es lo que prefiere.

Y las puertas MOSFET realmente necesitan cantidades significativas de corriente, especialmente si desea cambiarlas rápidamente, para cargar y descargar la capacitancia de la puerta, ¡a veces hasta unos pocos amperios! Sus resistencias de compuerta de 10K ralentizarán significativamente sus transiciones. Normalmente, usaría resistencias de solo 100 Ω más o menos en serie con las puertas, para mayor estabilidad.

Si realmente desea una conmutación rápida, debe usar circuitos integrados de controlador de compuerta de propósito especial entre la salida PWM de la MCU y los MOSFET de potencia. Por ejemplo, International Rectifier tiene una amplia gama de chips de controladores, y hay versiones que manejan los detalles de la unidad de lado alto para los FET de canal P por usted.

Adicional:

¿Qué tan rápido desea que cambien los FET? Cada vez que uno se encienda o se apague, se disipará un pulso de energía durante la transición, y cuanto más breve sea, mejor. Este pulso, multiplicado por la frecuencia del ciclo PWM, es un componente de la potencia promedio que el FET necesita disipar, a menudo el componente dominante. Otros componentes incluyen la energía en estado encendido (I _D ² × R _{DS (ENCENDIDO)} multiplicado por el ciclo de trabajo PWM) y cualquier energía descargada en el diodo del cuerpo en el estado apagado.

Una forma sencilla de modelar las pérdidas por conmutación es suponer que la potencia instantánea es aproximadamente una forma de onda triangular cuyo pico es (V _CC /2) × (I _D /2) y cuya base es igual al tiempo de transición T _RISE o T _FALL . El área de estos dos triángulos es la energía de conmutación total disipada durante cada ciclo PWM completo: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Multiplique esto por la frecuencia del ciclo PWM para obtener la potencia de pérdida de conmutación promedio.

Lo principal que domina los tiempos de subida y bajada es la rapidez con la que puede mover la carga de la puerta dentro y fuera de la puerta del MOSFET. Un MOSFET típico de tamaño medio puede tener una carga de puerta total del orden de 50-100 nC. Si desea mover esa carga, digamos, 1 µs, necesita un controlador de puerta capaz de al menos 50-100 mA. Si desea que cambie el doble de rápido, necesita el doble de corriente.

Si conectamos todos los números para su diseño, obtenemos: 12V × 3A × 2µs / 8 × 32kHz = 0,288 W (por MOSFET). Si suponemos R _DS(ON) de 20 mΩ y un ciclo de trabajo del 50 %, entonces las pérdidas I ² R serán 3A ² × 0,02 Ω × 0,5 = 90 mW (nuevamente, por MOSFET). Juntos, los dos FET activos en cualquier momento disiparán aproximadamente 2/3 vatios de potencia debido a la conmutación.

En última instancia, es una compensación entre qué tan eficiente desea que sea el circuito y cuánto esfuerzo desea poner en optimizarlo.

Es una práctica extremadamente mala unir puertas MOSFET sin resistencia o impedancia entre ellas. Q5 y Q3 están unidos sin ninguna separación, así como Q2 y Q6.

Si termina manejando estos FET con fuerza (lo que sospecho que terminará haciendo), las puertas pueden terminar sonando entre sí, causando desagradables transiciones de encendido y apagado espurias de alta frecuencia (MHz). Lo mejor es dividir la resistencia de puerta necesaria por igual y poner una resistencia en serie con cada puerta. Incluso unos pocos ohmios son suficientes. O bien, podría poner una perla de ferrita en una de las dos puertas.

Las resistencias pull-up para la puerta de los FET de canal P son del orden de dos magnitudes demasiado grandes. Soplé un puente H de baja frecuencia (< 1 kHz) como este con un pull-up de 220 ohmios; Ahora estoy a 100 ohmios y funciona bien. El problema es que esto causa una corriente parásita significativa a través del pull-up cuando se enciende el canal P, ¡por una pérdida de un vatio completo! Además, la resistencia pull-up debe ser robusta: conecté en paralelo unos 1/4 vatios y ejecuté el PWM bastante bajo, como 300 Hz.

La razón por la que esto es importante es que necesita empujar una gran cantidad de corriente hacia la puerta durante un tiempo muy corto para encender / apagar el MOSFET por completo. Si lo deja en el estado "intermedio", la resistencia será lo suficientemente alta como para calentar el dispositivo y dejar que la magia salga rápidamente.

Además, la resistencia de puerta para los controles PWM es demasiado alta. También debe ser del orden de 100 ohmios o menos para conducirlo lo suficientemente rápido. Si ejecuta PWM a kilohercios o más rápido, necesita aún más, así que en ese punto, elija un controlador IC.

Me preocupa el hecho de que ambos lados del puente estén conectados a las mismas señales de control. Con el retraso adicional impuesto por su búfer/inversores N-FET, podría tener los FET superior e inferior en un lado del H-Bridge al mismo tiempo durante cortos períodos de tiempo. Esto puede causar que una corriente significativa se dispare a través de la pata del medio puente y posiblemente incluso dañe sus FET de potencia.

Proporcionaría conexiones separadas de su MCU para las cuatro señales de la unidad FET. De esta manera, puede diseñar que haya un tiempo muerto entre apagar un FET antes de encender el otro FET en el mismo lado del puente.

R1 y R3 deben ser de 80 o 100 ohmios... y debe agregar una resistencia de 1 kohm de extracción justo después de R1 y R3 para llevarla a 0 cada vez que esté apagada para asegurarse de que esté completamente apagada... y como le han dicho si usa controlador mosfet será mejor y más seguro para el controlador ... y el resto del circuito está bien ... otra cosa es verificar la hoja de datos de mosfet para asegurarse de que el tiempo de retardo de mosfet se encienda y apague (en nano segundos) para verificar si lo hará trabajar con su pwm frecuencia deseada ..

Para simplificar, uso un controlador con 4 interruptores MosFet. Ver especificaciones para ejemplo de IR2113. Compatible con 3,3 V.