Понимание конструкции H-Bridge

Я не понимаю, почему только один из МОП-транзисторов питается от 15 В, а другой от 12 В.

Этот преобразователь постоянного тока не был включен, потому что полевой МОП-транзистор высокой стороны требует 15 В (это не так). Модуль преобразователя постоянного тока NME1215SC был выбран потому, что он имеет изолированную конструкцию , а это означает, что (как и в оптически изолированных драйверах затвора) вход питания электрически не связан с выходом.

Идея явно состоит в том, чтобы обеспечить плавающее питание драйвера затвора верхней стороны. Зачем драйверу затвора нужен плавающий источник питания?
Потому что для того, чтобы N-канальный МОП-транзистор оставался включенным, напряжение затвора должно поддерживаться выше напряжения истока. Это проблема, так как МОП-транзистор подключает свой собственный источник к напряжению питания схемы при включении, поэтому драйвер затвора теперь должен подавать на затвор 24 В (относительно земли), чтобы поддерживать затвор на уровне 12 В относительно к канализации.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

В вашей текущей конструкции используется один изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный, который является общим для обоих драйверов затвора верхней стороны. Это невозможно сделать, что должно было быть очевидным, когда вам нужно было закоротить двигатель, чтобы нарисовать схему. Вам нужен выделенный изолированный источник питания для каждого драйвера затвора верхней стороны моста, поэтому два NME1215SC.

Также можно полностью избавиться от изолированных преобразователей постоянного тока и использовать конструкцию драйвера затвора с начальной загрузкой . Идея состоит в том, что каждый раз, когда полевой МОП-транзистор с низкой стороны включен, отрицательный контакт питания (GND) драйвера затвора притягивается к земле, позволяя источнику питания 12 В заряжать конденсатор C1 через диод D1. Когда полевой МОП-транзистор с низкой стороны затем выключается, а полевой МОП-транзистор с высокой стороны включается, заряд, накопленный в C1, поддерживает питание драйвера затвора с высокой стороны.

^{смоделируйте эту схему}

Недостатком этого является то, что вы не можете держать MOSFET на стороне высокого напряжения постоянно включенным, потому что C1 в конечном итоге слишком сильно разряжается, если его регулярно не «доливать». Это ограничивает максимально достижимый рабочий цикл ШИМ где-то около 98% или около того (в зависимости от заряда затвора MOSFET, частоты ШИМ и тока покоя драйвера затвора). Размер конденсатора, в свою очередь, накладывает ограничение на минимальную частоту ШИМ, которую вы можете использовать.

Я считаю, что было бы приемлемо управлять обоими с 15V

Это не просто приемлемо, это полезно, поскольку более высокие напряжения затвор-исток (Vgs) уменьшают потери проводимости. Тем не менее, вы получаете убывающую отдачу, повышая Vgs, и даже 12 В — достаточный уровень привода затвора.

IRF630 плохо подходит для этого приложения. Он не только старый, но и рассчитан на то, чтобы выдерживать излишне высокое напряжение (200 В), за которое приходится идти на компромисс — низкое сопротивление сток-исток в открытом состоянии (Rds(on)) 400 мОм и номинальный ток всего 6 А. Сопротивление современных низковольтных полевых МОП-транзисторов часто ниже 1 мОм, что устраняет необходимость в радиаторе для многих драйверов двигателей.

В то время как 12-вольтовые аккумуляторные дрели-двигатели, как правило, не имеют токов нагрузки порядка 1,5 А, они могут потреблять почти 100 А в остановленном состоянии, что уничтожит IRF540, не говоря уже о IRF640. Если вы не «мягко запустите» двигатель, постепенно увеличивая среднее напряжение (которое вы контролируете с помощью рабочего цикла ШИМ), пусковой ток будет расти вблизи тока остановки на доли секунды, что может привести к взрыву МОП-транзисторов.

Если не реализовать защиту от перегрузки по току (определение тока двигателя и снижение напряжения в ответ на перегрузку по току), в вашем приложении я бы использовал полевые МОП-транзисторы, рассчитанные на 100 А или более и 25 В или более. Вы можете найти хороших кандидатов (например, IRFB7440GPbF , STP200N3LL ) с помощью параметрического поиска digikey, mouser, farnell и т. д.

Если они недоступны, вы можете подключить несколько полевых МОП-транзисторов с низкими характеристиками параллельно (хотя каждый со своим собственным резистором затвора), поскольку в отличие от биполярных транзисторов МОП-транзисторы будут хорошо распределять ток.

Я считаю, что было бы приемлемо управлять обоими с 15V

Преобразователь постоянного тока NME1215SC не обязательно должен иметь выходное напряжение 15 В; это может быть тип выхода 12 вольт, и это все равно будет работать. Таким образом, если одна шина питания на 15 вольт, обе на 15 вольт или обе на 12 вольт, на самом деле это не потрясение.

Тем не менее, вам необходимо использовать изолированный преобразователь постоянного тока в этом типе конструкции, потому что вам нужно управлять транзисторами верхней стороны при напряжении затвор-исток, превышающем напряжение шины питания постоянного тока на их стоках. Это связано с тем, что полевые МОП-транзисторы на верхней стороне подключены как повторители напряжения, и для адекватного обеспечения их включения с низким импедансом (сток подключен к истоку внутри) напряжение на затворе должно быть выше напряжения стока на несколько вольт.

Таким образом, -Vout изолированного преобразователя постоянного тока ДОЛЖЕН подключаться к входящему источнику питания 12 В (и стокам). На данный момент вы забыли сделать это соединение, поэтому я призываю вас исправить это. Однако, вероятно, лучше использовать два преобразователя постоянного тока с выходом -Vout, подключенным к выходному соединению каждого полумоста.

РЕДАКТИРОВАТЬ - максимальное напряжение, которое может выдержать HCPL3180, составляет 25 вольт, поэтому вам понадобятся два преобразователя постоянного тока с каждым соединением -Vout, привязанным к соответствующим выходам полумоста.

Может кто-нибудь, пожалуйста, помогите мне понять назначение используемых резисторов и диодов.

D4, D5, D6 и D8 представляют собой 15-вольтовые стабилитроны, защищающие затвор-исток от возможного перенапряжения. Чтобы использовать для этого стабилитроны, вам нужен последовательный резистор, и именно здесь резисторы 22R играют роль — они ограничивают ток в стабилитроне, тем самым защищая его от перегрузки.

D2 и R3 (10 Ом) немного увеличивают время выключения каждого МОП-транзистора, извлекая ток из емкости затвора немного быстрее, чем то, что было бы извлечено резисторами 22R. Многие конструкции H-моста, вероятно, не заморачивались бы с D2 и R3.

Резисторы номиналом 220 кОм обеспечивают отключение МОП-транзисторов при отключении питания, т. е. они разряжают емкость затвор-исток.

Раздел РЕДАКТИРОВАТЬ, сжалившись над ОП и пытаясь исправить его схему: -