Conduciendo directamente la fuente de 5V MOSFET H-Bridge con lógica de 3.3V

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Estoy tratando de diseñar un circuito de puente H para mi proyecto para impulsar un enfriador termoeléctrico (TEC). Básicamente, estoy tratando de controlar el TEC con una fuente de voltaje controlada por PWM.

Ahora el problema es que tengo una fuente de 5V DC pero mi microcontrolador ( ESP8266 ) usa la lógica de 3.3V. Dado que el espacio para los componentes es limitado, me gustaría manejar el MOSFET directamente desde el microcontrolador.

He construido un circuito basado en algunas cosas que he encontrado en Internet, pero no estoy seguro de si es correcto. Se espera que el TEC que estoy utilizando alcance 1A a 1.7V (máximo); Los MOSFETS que estoy usando son ROHM RZR040P01TL (tipo p) y RUR040N02TL (tipo n) que tienen una clasificación de 4A, tienen Vgs (th) ~ = 1.3V y diodos de protección GS incorporados.

  1. Como nunca he diseñado un puente H antes, mi primera pregunta Sería sobre el diseño. ¿Se ve como algo que haría ¿Trabajo o me falta algo aquí?
  2. Cuando aumenté la señal PWM arriba cero, hubo un ruido de tono alto proveniente de los MOSFET. Es esto ¿Algo que se espera o indica un problema en el circuito?

He intentado enviar PWM de ciclo de trabajo bajo desde el microcontrolador (1-10%) que parecía estar funcionando bien, mientras los MOSFET seguían zumbando, el TEC estaba funcionando bien y había alrededor de 0.4V de voltaje en los terminales ( que usted esperaría). Sin embargo, cuando aumenté el ciclo de trabajo al 20%, uno de los MOSFET de tipo N explotó.

Supongo que esto sucedió porque el MOSFET se sobrecalentó o porque he hecho algo terriblemente mal en mi diseño de circuito.

Agradecería algunos consejos sobre la construcción de circuitos MOSFET H-Bridge en general, así como algunas recomendaciones específicas para este diseño en particular.

Diseño original

Actualización # 1:

He rediseñado el circuito para tener cada interruptor MOSFET por separado como sugirió @WhatRoughBeast. También he agregado dos MOSFET tipo N para controlar las compuertas tipo P que deberían resolver el problema de la diferencia de voltaje. Esto parece haber resuelto el problema del ruido: ahora el zumbido solo aparece si reduzco la frecuencia de conmutación a 5 kHz o menos.

En la configuración actual, estoy tratando de controlar la dirección y el voltaje mediante:

  • con B1 y B2 configurados en LOW, A2 en HIGH y A1 de control de PWM

  • con A1 y A2 configurados en LOW, B1 en HIGH y control de PWM B2

Mientras que los MOSFET parecen estar funcionando ahora (como en no sobrecalentarse y explotar), parece que tengo otro problema: con el suministro de 5 V, cualquiera que sea el ciclo de trabajo de PWM que use, el TEG siempre recibe el 4.5V completo (usando 10 -20kHz).

    
pregunta Simas V.

3 respuestas

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Debe conducir este tipo de puente con al menos 5V (o cerca de 4.7V garantizará menos de 1 mA de conducción según la datasheet ).

Tal como lo tiene, cuando una entrada al puente está a 3.3 V, el MOSFET de canal N está 'activado', pero el canal P también está activo con una unidad nominal de 1.7 V, y normalmente realizará Varios amperios de corriente, que la freirán o el canal N o ambos, dependiendo.

Puedes usar un traductor de voltaje o un controlador MOSFET. Este último será capaz de generar mucha más corriente de conducción y dará como resultado menos calefacción, pero costará más.

    
respondido por el Spehro Pefhany
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Otra forma de ver esto es ver qué sucede con los transistores a medida que el voltaje de la compuerta pasa de cero a 5 voltios. Spehro ha señalado la calificación apropiada en la hoja de datos.

Si el voltaje es inferior a 0,3 voltios, el tipo p estará activado (voltaje de fuente de compuerta de 4.7 o más) y el tipo n estará apagado. Para voltajes mayores a 4.7, el tipo p estará desactivado y el tipo n estará activado. Para cualquier voltaje mayor que 0.3 y menor que 4.7, ambos transistores estarán encendidos, y uno u otro se calentará mucho. Esto supone, por supuesto, que utiliza el Vgsth mínimo. Dado que esto se especifica para 1 mA, es muy conservador, pero es bastante claro que usar 1 voltio puede causar problemas. La condición de que ambos FET estén activados simultáneamente es la llamada "disparar a través" por razones obvias.

Tienes dos rutas posibles para ir. El primero es conseguir un controlador de puerta. Esto hará que la transición a través de su zona de peligro sea muy rápida, y el disparo a través solo durará unos pocos segundos de nanosegundos.

La otra posibilidad es escalonar la sincronización de las dos unidades de puerta de modo que solo una se active en cualquier momento. Esto a menudo está integrado en puentes integrados y controladores de puentes. Tomará mucho más pensamiento y esfuerzo que hacerlo de la manera en que lo está haciendo ahora.

    
respondido por el WhatRoughBeast
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Hay formas alternativas de hacer esto. En este momento tienes dos circuitos buck sincronizados. Podría reemplazarlo con un controlador único que no necesita ser una salida síncrona @ 1A. Además de eso, necesitarías un conjunto de mosfets que puedan revertir la polaridad TEC. En esencia, un par de N-MOSFET que se conectarán + a 1.7V y - a GND. Y un segundo par que conectará + a GND y - a + 1.7V.

Esto es probablemente más fácil de quitar que dos circuitos Syncbuck separados, ya que solo necesita una señal PWM y dos señales de encendido / apagado con transistor NPN de colector abierto para permitir que los Mosfets superiores tengan un voltaje de entrada de + 5V. 1.7 + 1.3 = 3V pero con 5V está firmemente en la región de saturación con un mínimo de RDS activado.

    
respondido por el Barleyman

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