¿Por qué este puente H con solo FET de canal N no funcionó?

Basado en esta respuesta aquí en StackExchange y el artículo de Motorola que cita, diseñé un controlador de motor de puente h dual con transistores push-pull para cambiar los FET más rápido, diseñé una PCB en KiCad y la construí.

Las restricciones eran usar solo FET de canal N que se encuentran en una placa base de computadora vieja, y no tenía controladores de puerta (de hecho, compré un par de IR2110, pero tardarán mucho en llegar).Puente H con push-pull

Cuando probé esta primera versión con un motor de helicóptero RC de juguete, funcionó un par de veces, pero finalmente la mitad de cada puente H (había 2 de ellos) se acortó (mucho humo y todo). Todo funcionó con 2 celdas de iones de litio (7,4 V) para VCC y una tercera celda de teléfono pequeña (3,7 V) en serie para un total de 11,1 V en Vdrive.

Usé el multímetro para verificar y parece que IMZ1A no pudo bajar los FET del lado alto por alguna razón. Al principio podían, pero luego dejaron de funcionar. Los 2N7002 estaban todos bien. Intenté reemplazar los FET de potencia en cortocircuito y los IMZ1A por otros nuevos, pero volvió a ocurrir el mismo problema.

Cansado de quemar cosas, pero aún tratando de probar el punto de que se podría diseñar un puente simple de canal N, hice este nuevo circuito:Maldito puente h simple

Este realmente funcionó y está funcionando hasta ahora, a pesar de ser muy simple. La pregunta es: ¿ por qué no funcionó el primer circuito? ¿Hay algo malo con el diseño?

EDITAR: adquirió algunas formas de onda para el último circuito:
este sin condiciones de cargaForma de onda sin carga

Y esto con el motor. La resistencia de armadura medida fue de aproximadamente 2.2R y la inductancia de aproximadamente 240uH.motor de forma de onda

@DKNguyen no sabía nada sobre los disparos. Pensé que lo único que sucedería al compartir entradas así sería el frenado del motor con ambos bajos. R4 y R12 son del diseño de Motorola, los conservé porque supuse que estaban allí para reducir el voltaje de la fuente de drenaje en el FET, cuando se usa un Vdrive más alto.
Los tiempos de encendido y apagado del transistor rara vez coinciden, e incluso si lo hicieran, existen variaciones entre los transistores individuales.
¿Desde dónde se genera Vdrive? ¿Dónde está el doble? Solo veo un puente H. La respuesta de DKNguyens a continuación debería cubrirlo, pero para poder estar seguros, necesitaríamos ver los oscilogramas de la unidad de compuerta.
@winny, lo siento si no fui claro, pero Vdrive proviene de una tercera celda de batería en serie con el suministro principal. El otro puente H es exactamente el mismo, así que lo omití para mantener los esquemas limpios.
En realidad, no estoy seguro de por qué su circuito inferior funciona TBH. Porque no debería debido al problema de la unidad de compuerta del lado alto. Mi conjetura es que probablemente no esté funcionando tan bien como debería. Esos MOSFET superiores deberían apagarse solos cada vez que intenta encenderlos.
@DKNguyen ¿por qué deberían apagarse? En el peor de los casos, la fuente superior del FET está en VCC, pero Vdrive siempre es más alto que VCC+Vth (el voltaje umbral del FET).
@Vitorbnc Oh. Eso explicaría por qué funciona. Porque su Vdrive es más alto que Vcc. Eso es muy inusual. Esa diferencia de 3.7 V que se aplica a Vgs para conducir realmente lo está reduciendo. Con el diodo de arranque y los condensadores, puede usar un Vdrive que sea igual a los Vgs requeridos sin tener mucho en cuenta qué tan alto es realmente el Vcc. Por cierto, desea aplicar varias veces más que Vth para encender el MOSFET como un interruptor. Vth es solo el punto en el que apenas comienza a conducir y es más para uso analógico que para uso digital. En su lugar, utilice los voltajes de puerta para las curvas RDson nominales.
@DKNguyen si me aseguro de que Vdrive sea siempre más alto que Vcc+Vth, ¿puedo mantener el diseño más simple (con 4 entradas separadas) para hacer funcionar el motor con un PWM de hasta 1 KHz más o menos? Hice una estimación aproximada del tiempo de conmutación teniendo en cuenta las resistencias y la capacitancia de la puerta y se verificó.
@Vitorbnc Necesita que los Vg aplicados sean varias veces más grandes que Vth. Vth es justo donde el MOSFET apenas comienza a encenderse. Es para uso analógico, no para conmutación digital. Utilice los voltajes de compuerta enumerados al lado del RDson nominal o mire las curvas I-Vds. No use Vth para cambiar. Supongo que siempre puedes asegurarte de que Vcc+Vgs > Vcc. El problema es que, en algún momento, es posible que exceda el voltaje de puerta máximo tolerable al apagar, según su circuito.
Bien. Eso no es mucho Vgs para trabajar. ¿Está seguro de que está encendido el MOSFET superior en todo momento?
@winny agregó algunas formas de onda para el segundo circuito ahora mismo
¡Excelente! Parece que se está encendiendo por completo, pero tenga en cuenta que esto es menos Vgs de lo que la mayoría se atrevería a diseñar.

Respuestas (1)

Ambos circuitos sufren problemas de disparos. Esto es lo que sucede cuando no le das a cada transistor una señal de control independiente. El problema puede ser peor en su circuito superior ya que el controlador de puerta del lado alto es mucho más efectivo que el controlador de puerta del lado bajo.

Por otro lado, no sé para qué se supone que son R4 y R12, ya que simplemente se interponen y podrían hacer que su controlador de puerta del lado alto funcione peor que el inferior. En cualquier caso, el resultado es el mismo: peor traspaso.

Usted declaró en una respuesta ahora eliminada que R4/R12 debía limitar la corriente hasta el tercer trimestre. En realidad, esto no es un problema porque cuando Q3 está activado, la entrada de corriente de una rama ya está limitada por R3. En la otra rama, la corriente que fluye a través del emisor base de Q5B (que también fluye a través de Q3) apagaría tanto a Q5B como a Q3... excepto que no lo hace porque Q5A está apagado. Deshazte de ellos.

Finalmente, este es un problema mucho más fundamental que sufren ambos circuitos, lo que puede requerir un rediseño, lo que hace que todos los puntos anteriores sean discutibles de todos modos: su controlador de compuerta no impulsa las compuertas MOSFET del lado alto con un voltaje relativo a la fuente . Los impulsa con un voltaje relativo al suelo, pero los MOSFET del lado alto no pueden ver el suelo, ni les importa lo que es. Todo lo que les importa es el voltaje entre sus terminales de puerta-fuente.

Piénselo, suponga que su controlador de compuerta se enciende y la corriente fluía a través del motor. El nodo de salida del medio puente que se conecta al suministro positivo aumentaría el voltaje hacia Vcc. Por lo tanto, el voltaje de la fuente para el MOSFET del lado alto también aumentaría. Si el voltaje de su puerta está referenciado a tierra, entonces su Vgs aplicado al MOSFET disminuye rápidamente al apagar el MOSFET (o peor aún, parcialmente encendido). Esta es la razón por la que necesita controladores de puerta flotante para los MOSFET de lado alto y esto es lo que fundamentalmente hace que todos los puentes H de canal N (y medios puentes) sean más complejos.

El enfoque más simple es probablemente agregar un diodo de arranque y un capacitor a sus diodos de lado alto, pero esto tiene la limitación de no poder ejecutar el ciclo de trabajo al 100%. Cada vez que se enciende un MOSFET del lado bajo, el capacitor de arranque de ese lado se conectará a tierra para permitir que se cargue (actualice) a través del diodo. Cuando se abre el MOSFET del lado bajo, el capacitor flotará hasta el voltaje de fuente del MOSFET del lado alto y el diodo evita que el capacitor de arranque se drene. Por lo tanto, el MOSFET del lado bajo tiene que encenderse periódicamente (generalmente durante el funcionamiento normal) para actualizar el capacitor de arranque que actúa como suministro flotante para las puertas del MOSFET del lado alto.ingrese la descripción de la imagen aquí

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