¿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 prefieres.

Y las compuertas MOSFET sí necesitan cantidades significativas de corriente, especialmente si desea cambiarlas rápidamente, para cargar y descargar la capacitancia de la compuerta, ¡a veces hasta algunos amperios! Sus resistencias de compuerta de 10 K reducirán significativamente sus transiciones. Normalmente, usarías resistencias de solo 100Ω aproximadamente en serie con las puertas, para estabilidad.

Si realmente desea una conmutación rápida, debe usar circuitos integrados de controlador de puerta 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 del lado alto para la P FET de canal para usted.

Adicional:

¿Qué tan rápido quieres que cambien los FET? Cada vez que se enciende o apaga, se va a disipar un pulso de energía durante la transición, y cuanto más corto pueda hacer esto, mejor. Este pulso, multiplicado por la frecuencia del ciclo PWM, es un componente de la potencia promedio que el FET necesita para disipar, a menudo el componente dominante. Otros componentes incluyen la potencia en estado (I _D ² × R _{DS (ON)} multiplicada por el ciclo de trabajo de PWM) y cualquier energía descargada en el diodo del cuerpo en el estado de apagado.

Una forma sencilla de modelar las pérdidas de 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 completo de PWM: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Multiplica 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 qué tan rápido puede mover la carga de la compuerta dentro y fuera de la compuerta del MOSFET. Un MOSFET típico de tamaño mediano puede tener una carga total de compuerta del orden de 50-100 nC. Si desea mover esa carga en, digamos, 1 µs, necesita un controlador de compuerta capaz de al menos 50-100 mA. Si desea que cambie dos veces más rápido, necesita el doble de la corriente.

Si conectamos todos los números para su diseño, obtenemos: 12V × 3A  × 2µs / 8 × 32kHz = 0.288 W (por MOSFET). Si asumimos que R _{DS (ON)} de 20mΩ y un ciclo de trabajo del 50%, entonces las pérdidas I ² R serán 3A ² × 0.02Ω × 0.5 = 90 mW (nuevamente, por MOSFET). Juntos, los dos FET activos en un momento dado van a disipar alrededor de 2/3 vatios de potencia debido a la conmutación.

En última instancia, es una compensación entre la eficiencia con la que quiere que sea el circuito y el esfuerzo que se requiere para optimizarlo.

Es una práctica extremadamente mala unir las puertas MOSFET sin ninguna resistencia o impedancia entre ellas. Q5 y Q3 están vinculados sin ninguna separación, al igual que Q2 y Q6.

Si terminas manejando estos FETs con fuerza (lo cual sospecho que terminarás haciendo), las puertas pueden terminar sonando entre sí, lo que provoca transiciones espurias de encendido y apagado espurias de alta frecuencia (MHz). . Es mejor dividir la resistencia de compuerta necesaria por igual y poner una resistencia en serie con cada compuerta. Incluso unos pocos ohmios es suficiente. O bien, podría colocar una cuenta de ferrita en una de las dos puertas.

Las resistencias de pull-up para la compuerta 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 importante corriente parásita a través del pull-up al encender el canal P, ¡por una pérdida de un vatio completo! Además, la resistencia de pull-up debe ser robusta: yo puse en paralelo aproximadamente 1/4 de vatios y ejecuto el PWM bastante bajo, como 300 Hz.

La razón por la que esto es importante es que necesita empujar mucha corriente en la compuerta por un tiempo muy breve para encender / apagar el MOSFET por completo. Si lo dejas en el estado "intermedio", la resistencia será lo suficientemente alta como para calentar el dispositivo y rápidamente deja salir el humo mágico.

Además, la resistencia de la compuerta para los controles PWM es demasiado alta. También debe ser del orden de 100 ohmios o menos para que funcione lo suficientemente rápido. Si ejecuta PWM a kilohertz o más rápido, necesita aún más, por lo que en ese momento, busque un controlador IC.

Me preocupa el hecho de que tenga ambos lados del puente conectados a las mismas señales de control. Con el retardo adicional impuesto por sus búferes / inversores N-FET, podría tener los FET superiores e inferiores en un lado del Puente H al mismo tiempo durante cortos períodos de tiempo. Esto puede causar una corriente significativa para disparar a través de la mitad del tramo del puente y posiblemente dañar sus FET de potencia.

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

R1 y R3 deben ser 80 o 100 ohmios. y debe agregar resistencia de 1kohm hacia abajo justo después de R1 y R3 para tirar a 0 cuando esté apagado para asegurarse de que esté completamente apagado ... y como se le ha dicho, si usa el 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 mosfets para asegurarse de que el tiempo de demora de mosfet esté activado y desactivado (en nano segundos) para verificar si funcionará con la frecuencia deseada de pwm ..