这是 MOSFET H 桥的好设计吗?

电器工程 微控制器 场效应管 脉宽调制 H桥
2022-01-10 20:07:52

我一直在环顾四周,试图为 RC 汽车电机(12V 和 2~3A)设计一个简单但有效的 H 桥。

该桥将由微控制器驱动,并且需要快速以支持 PWM。因此,根据我的读数,在快速开关和低电阻方面,功率 MOSFET 是最佳选择。所以我打算购买额定电压为 24V+ 和 6A+、逻辑电平、低 R DSon和快速开关的 P 和 N 沟道功率 MOSFET。还有什么我应该考虑的吗?

好的,以 H 桥设计为例:由于我的 MCU 将在 5V 下运行,关闭 P 沟道 MOSFET 会出现问题,因为 V gs需要达到 12V+ 才能完全关闭。我看到许多网站正在通过使用 NPN 晶体管来驱动 P 沟道 FET 来解决这个问题。我知道这应该可行,但是,BJT 的慢开关速度将支配我的快速开关 FET!

那么为什么不使用 N 沟道 FET 来驱动 P 沟道 FET,就像我在这个设计中所使用的那样呢?

示意图

这是坏的还是错误的设计?有什么我没有看到的问题吗?

此外,这些 FET 中内置的反向二极管是否足以处理因停止(或可能反转)我的电机感应负载而引起的噪声?还是我还需要一个真正的反激二极管来保护电路?

解释原理图:

  • Q3 和 Q6 是低侧 N 沟道晶体管
  • Q1 和 Q4 是高端 P 沟道晶体管,Q2 和 Q5 是驱动这些 P 沟道的 N 沟道晶体管(将电压拉低至 GND)。
  • R2 和 R4 是上拉电阻以保持 P 通道关闭。
  • R1 和 R3 是保护 MCU 的电流限制器,(不确定 MOSFET 是否需要它们,因为它们不会消耗太多电流!)
  • PWM 1 和 2 来自 5V MCU。
  • Vcc12V
4个回答

我不确定您为什么认为 BJT 比功率 MOSFET 慢得多。这当然不是固有的特征。但是,如果您喜欢的话,使用 FET 并没有错。

并且 MOSFET 栅极确实需要大量电流,特别是如果您想快速切换它们,以对栅极电容进行充电和放电 - 有时高达几安培!您的 10K 栅极电阻器将显着减慢您的转换速度。通常,为了稳定性,您会使用仅 100Ω 左右的电阻与栅极串联。

如果你真的想要快速开关,你应该在 MCU 的 PWM 输出和功率 MOSFET 之间使用专用的栅极驱动器 IC。例如,International Rectifier的驱动芯片种类繁多,并且有一些版本可以为您处理 P 沟道 FET 的高边驱动细节。

额外的:

您希望 FET 切换多快?每次打开或关闭时,它都会在转换过程中消散一个能量脉冲,并且越短越好。这个脉冲乘以 PWM 周期频率,是 FET 需要消耗的平均功率的一个组成部分——通常是主要组成部分。其他组件包括导通状态功率( ID 2 × R DS (ON)乘以 PWM 占空比)和在关断状态下倾倒到体二极管中的任何能量。

对开关损耗建模的一种简单方法是假设瞬时功率大致为三角波形,其峰值为 (V CC /2)×( ID /2),其基值等于转换时间 T RISE或 T FALL . 这两个三角形的面积是每个完整 PWM 周期内消耗的总开关能量:(T RISE + T FALL ) × V CC × I D / 8。将其乘以 PWM 周期频率可得到平均开关损耗功率。

决定上升和下降时间的主要因素是您可以多快将栅极电荷移入和移出 MOSFET 的栅极。一个典型的中型 MOSFET 可能具有大约 50-100 nC 的总栅极电荷。如果您想在 1 µs 内移动该电荷,您需要一个电流至少为 50-100 mA 的栅极驱动器。如果您希望它以两倍的速度切换,则需要两倍的电流。

如果我们为您的设计插入所有数字,我们会得到:12V × 3A × 2µs / 8 × 32kHz = 0.288 W(每个 MOSFET)。如果我们假设 R DS(ON)为 20mΩ,占空比为 50%,则 I 2 R 损耗将为 3A 2 × 0.02Ω × 0.5 = 90 mW(同样,每个 MOSFET)。由于切换,两个有源 FET 在任何给定时刻都将消耗大约 2/3 瓦的功率。

归根结底,这是您希望电路的效率与您希望投入多少精力来优化它之间的权衡。

在它们之间没有任何电阻或阻抗的情况下将 MOSFET 栅极连接在一起是非常糟糕的做法。Q5 和 Q3 连接在一起,没有任何分离,Q2 和 Q6 也是如此。

如果您最终用力驱动这些 FET(我怀疑您最终会这样做),则栅极最终可能会相互振铃,从而导致令人讨厌的高频 (MHz) 寄生开启和关闭转换。最好将所需的栅极电阻平均分配,并在每个栅极串联一个电阻。即使是几欧姆就足够了。或者,您可以在两个门中的一个上放置一个铁氧体磁珠。

P 沟道 FET 栅极的上拉电阻太大了两个数量级。我用 220 ohm 上拉引爆了一个像这样运行的低频(< 1 kHz)H 桥;我现在是 100 欧姆,它工作正常。问题是,这会在开启 P 通道时通过上拉电阻产生大量寄生电流,从而损失一瓦特!此外,上拉电阻需要足够强大——我并联了大约 1/4 瓦,并且我将 PWM 运行得很低,比如 300 Hz。

这很重要的原因是您需要在很短的时间内将大量电流推入栅极以完全打开/关闭 MOSFET。如果你让它处于“中间”状态,电阻会足够高,它会加热设备并很快让魔法烟雾消失。

此外,PWM 控制的栅极电阻太高了。它也需要大约 100 欧姆或更小才能驱动它足够快。如果您以千赫兹或更快的频率运行 PWM,则需要更多,所以在这一点上,选择驱动器 IC。

我对桥的两侧都连接到相同的控制信号这一事实有些担心。由于您的 N-FET 缓冲器/反相器施加的额外延迟,您可能会在短时间内同时在 H 桥的一侧同时打开上部和下部 FET。这可能会导致大量电流通过半桥臂,甚至可能损坏您的功率 FET。

我将为所有四个 FET 驱动信号提供与您的 MCU 的单独连接。通过这种方式,您可以设计在关闭一个 FET 之前在打开桥同一侧的另一个 FET 之间有一个死区时间。