H-мост MOSFET H-Bridge с прямым управлением источником 5 В и логикой 3,3 В

Я пытаюсь разработать схему H-моста для своего проекта для управления термоэлектрическим охладителем (TEC). По сути, я пытаюсь управлять TEC с помощью источника напряжения, управляемого ШИМ.

Теперь проблема в том, что у меня есть источник постоянного тока 5 В, но мой микроконтроллер ( ESP8266 ) использует логику 3,3 В. Поскольку место для компонентов ограничено, я хотел бы управлять MOSFET напрямую от микроконтроллера.

Я построил схему на основе некоторых вещей, которые я нашел в Интернете, но не совсем уверен, что это правильно. Ожидается, что TEC, который я использую, будет потреблять до 1 А при 1,7 В (максимум); МОП-транзисторы, которые я использую, это ROHM RZR040P01TL (p-тип) и RUR040N02TL (n-тип), которые рассчитаны на 4 А, имеют Vgs (th) ~ = 1,3 В и встроенные защитные диоды GS.

  1. Поскольку я никогда раньше не проектировал Н-мост, мой первый вопрос будет о конструкции. Это похоже на что-то, что сработает, или я что-то здесь упускаю?
  2. Когда я увеличил сигнал ШИМ выше нуля, от полевых МОП-транзисторов исходил высокий шум. Этого следует ожидать или это сигнализирует о проблеме в цепи?

Я попытался отправить PWM с низким рабочим циклом от микроконтроллера (1-10%), который, казалось, работал нормально - в то время как MOSFET все еще гудели, TEC работал нормально, и на клеммах было около 0,4 В напряжения (что вы бы ожидать). Однако, когда я увеличил рабочий цикл до 20%, один из МОП-транзисторов N-типа перегорел.

Я предполагаю, что это произошло либо из-за перегрева полевого МОП-транзистора, либо из-за того, что я сделал что-то ужасно неправильное в своей схеме.

Я был бы признателен за некоторые советы по построению схем MOSFET H-Bridge в целом, а также за некоторые конкретные рекомендации для этой конкретной конструкции.

Оригинальный дизайн

Обновление №1:

Я переработал схему, чтобы каждый MOSFET-переключатель был отдельным, как предложил @WhatRoughBeast. Я также добавил два полевых МОП-транзистора N-типа для управления затворами P-типа, что должно решить проблему разности напряжений. Похоже, это решило проблему с шумом — теперь жужжание появляется, только если я уменьшаю частоту переключения до 5 кГц или ниже.

В текущей конфигурации я пытаюсь контролировать направление и напряжение:

  • с B1 и B2, установленными на LOW, A2 на HIGH и с ШИМ-управлением A1

  • с A1 и A2, установленными на LOW, B1 на HIGH и PWM-управление B2

В то время как полевые МОП-транзисторы теперь работают (например, не перегреваются и не взрываются), похоже, у меня есть другая проблема - при питании 5 В, какой бы рабочий цикл ШИМ я ни использовал, ТЭГ всегда получает полные 4,5 В (используя 10-20 кГц) .

Переработанная схема

Первый вопрос: что вы делаете с Tec, что вам нужен ток в обоих направлениях? Вы пытаетесь и нагреть, и охладить?
Второй вопрос: вам действительно нужны эти фильтры нижних частот? Вашим полевым транзисторам не понравятся индуктивные пики, которые они вызовут.
Третий вопрос: вы анализировали время переключения этих MosFET? Есть ли возможность прострела? Это уничтожит полевой транзистор, прежде чем вы сможете сказать: «Как я действительно должен контролировать эти ворота?».
Привет Марк. Да, я строю регулятор температуры, который должен уметь и нагревать, и охлаждать. Что касается LC-фильтра, я видел сообщение об управлении ТЭО с ШИМ, и мне настоятельно рекомендовалось добавить фильтр нижних частот для фильтрации ШИМ-сигнала. Я думаю, их можно было бы удалить, если бы я переключился достаточно быстро. Потенциально была перестрелка. Тем не менее, я переделал его так, как предложил WhatRoughBeast, и теперь у меня есть только один вентиль, управляемый PWM за раз.

Ответы (3)

Вы должны управлять этим типом моста с напряжением не менее 5 В (или близко к 4,7 В, что гарантирует проводимость менее 1 мА согласно техническому описанию ).

введите описание изображения здесь

Как у вас есть, когда на входе моста 3,3 В, N-канальный MOSFET «включен», но P-канал также в значительной степени включен с номинальным напряжением 1,7 В, и он обычно проводит несколько ампер тока. ток, который поджарит его или N-канал или оба, в зависимости.

Вы можете использовать преобразователь напряжения или драйвер MOSFET. Последний будет способен выдерживать гораздо больший ток возбуждения и приведет к меньшему нагреву, но будет стоить дороже.

Спасибо за понимание @Spehro. Должно быть, я допустил ошибку в своих расчетах, когда смотрел на спецификации. Я подумал и понял, что можно использовать оставшиеся полевые МОП-транзисторы N-типа, которые мне нужны, для создания переключателя 2-го уровня. imgur.com/Ao5RcxI

Другой способ взглянуть на это — посмотреть, что происходит с транзисторами, когда напряжение на затворе увеличивается от нуля до 5 вольт. Спехро указал соответствующий рейтинг в техническом паспорте.

Если напряжение меньше 0,3 вольта, p-тип будет включен (напряжение затвор-исток 4,7 и более), а n-тип будет выключен. При напряжении более 4,7 В p-тип будет отключен, а n-тип будет включен. При любом напряжении больше 0,3 и меньше 4,7 оба транзистора будут открыты, и один или другой будет сильно нагреваться. Это предполагает, конечно, что вы используете минимальный Vgsth. Поскольку это указано для 1 мА, это очень консервативно, но совершенно ясно, что использование 1 вольта вызовет у вас проблемы. Условие одновременного включения обоих полевых транзисторов по понятным причинам называется «прострелом».

У вас есть два возможных маршрута. Во-первых, получить водитель ворот. Это очень быстро пройдёт через вашу опасную зону, а прострел продлится всего несколько десятков наносекунд.

Другая возможность состоит в том, чтобы синхронизировать два привода затвора так, чтобы в любой момент времени работал только один. Это часто встроено в интегрированные мосты и драйверы мостов. Это потребует намного больше размышлений и усилий, чем то, как вы это делаете сейчас.

Самый простой способ сдвинуть напряжения затвора состоит в том, чтобы иметь однонаправленную схему задержки RCD со скромной логикой NAND. Два логических элемента для положительной стороны и один для отрицательной стороны, если вы хотите использовать один и тот же сигнал ШИМ для обоих.

Есть альтернативные способы сделать это. Прямо сейчас у вас есть две цепи синхронизации. Вы можете заменить его одним понижающим контроллером, который не обязательно должен быть синхронным с выходом 1 А. Кроме того, вам понадобится набор MOSFET, которые могут поменять полярность TEC. По сути, это одна пара N-MOSFET, которые будут подключать + к 1,7 В, а - к GND. И вторая пара, которая будет подключать + к GND и - к +1,7В.

Это, вероятно, легче реализовать, чем две отдельные схемы синхроимпульса, поскольку вам нужен только один сигнал ШИМ и два сигнала включения / выключения с NPN-транзистором с открытым коллектором, чтобы обеспечить полное напряжение затвора верхних МОП-транзисторов +5 В. 1,7 + 1,3 = 3 В, но при 5 В он находится в области насыщения с включенным минимальным RDS.

H-мост MOSFET H-Bridge с прямым управлением источником 5 В и логикой 3,3 В
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v