これは、MOSFET Hブリッジに適した設計ですか？

私は、RCカーモーター（12Vおよび2〜3A）用のシンプルだが機能するH-Bridgeを設計しようと試みてきました。

このブリッジはマイクロコントローラーから駆動され、PWMをサポートするには高速である必要があります。したがって、私の測定値に基づいて、高速スイッチングと低抵抗に関してはパワーMOSFETが最良の選択です。そこで、ロジックレベルが24V +および6A +で、R _DSonが低く、スイッチング速度が速いPおよびNチャネルパワーMOSFETを購入します。他に考慮すべきことはありますか？

Hブリッジの設計に進みましょう。私のMCUは5Vで動作するため、PチャネルMOSFETをオフにすると問題が発生します_。Vgsを完全にオフにするには12V +にする必要があるためです。NPNトランジスタを使用してPチャネルFETを駆動することにより、多くのWebサイトがこの問題を解決していることがわかります。これは機能するはずですが、BJTの低速スイッチング速度が高速スイッチングFETを支配します。

それでは、この設計のように、NチャンネルFETを使用してPチャンネルFETを駆動してみませんか？

これは悪いか間違った設計ですか？表示されない問題はありますか？

また、これらのFETに組み込まれた逆ダイオードは、モーターの誘導負荷を停止する（または逆にする）ことによって生じるノイズを処理するのに十分ですか？または、回路を保護するために実際のフライバックダイオードが必要ですか？

回路図を説明するには：

• Q3およびQ6は、ローサイドNチャネルトランジスタです。
• Q1とQ4はハイサイドPチャネルトランジスタ、Q2とQ5はそれらのPチャネルを駆動する（電圧をGNDにプルダウンする）Nチャネルトランジスタです。
• R2とR4は、Pチャネルをオフに保つためのプルアップ抵抗です。
• R1とR3はMCUを保護するための電流リミッターです（MOSFETに必要なのかどうかは、あまり電流を流さないためわかりません！）
• PWM 1と2は5V MCUから来ています。
• V _ccは12V

BJTがパワーMOSFETよりもかなり遅いと思う理由がわかりません。それは確かに固有の特性ではありません。しかし、それがあなたが好むものであるならば、FETの使用に何の問題もありません。

また、MOSFETゲートは、特に、ゲートキャパシタンスを充電および放電するために、場合によっては数アンペアまで、それらを迅速に切り替えたい場合には、特に大量の電流を必要とします。10Kゲート抵抗は、移行を著しく遅くします。通常、安定性のために、ゲートと直列に100Ω程度の抵抗を使用します。

高速スイッチングが本当に必要な場合は、MCUのPWM出力とパワーMOSFETの間に専用ゲートドライバーICを使用する必要があります。たとえば、International Rectifierにはさまざまなドライバーチップがあり、PチャネルFETのハイサイドドライブの詳細を処理するバージョンがあります。

追加：

FETの切り替え速度はどれくらいですか？スイッチをオンまたはオフにするたびに、移行中にエネルギーのパルスが散逸します。これを短くすることができれば、それだけ良くなります。このパルスにPWMサイクル周波数を掛けた値は、FETが放散する必要がある平均電力の1つのコンポーネントであり、多くの場合、支配的なコンポーネントです。その他のコンポーネントには、オン状態の電力（I _D ² ×R _DS（ON）にPWMデューティサイクルを掛けたもの）、およびオフ状態でボディダイオードにダンプされるエネルギーが含まれます。

スイッチング損失をモデル化する簡単な方法の1つは、瞬時電力が、ピークが（V _CC / 2）×（I _D / 2）で、ベースが遷移時間T _RISEまたはT _FALLに等しいほぼ三角形の波形であると仮定することです。。これらの2つの三角形の面積は、各PWMサイクル全体で消費される合計スイッチングエネルギーです。（T _RISE + T _FALL）×V _CC ×I _D /8。これにPWMサイクル周波数を掛けて、平均スイッチング損失電力を求めます。

立ち上がり時間と立ち下がり時間を支配する主なものは、MOSFETのゲートでゲート電荷をオンおよびオフにできる速度です。一般的な中型MOSFETの総ゲート電荷は50〜100 nC程度です。その電荷を、たとえば1 µsで移動させたい場合、少なくとも50〜100 mAの能力を持つゲートドライバが必要です。2倍の速度で切り替えたい場合は、2倍の電流が必要です。

デザインのすべての数値を接続すると、12V×3A×2µs / 8×32kHz = 0.288 W（MOSFETあたり）になります。R _DS（ON）を20mΩ、デューティサイクルを50％と仮定すると、I ² R損失は3A ² ×0.02Ω×0.5 = 90 mW（再び、MOSFETあたり）になります。同時に、2つのアクティブFETは、スイッチングにより、約2/3ワットの電力を消費します。

最終的には、回路をどの程度効率的にするかと、最適化にどれだけの労力をかけるかというトレードオフです。

MOSFETゲートを抵抗やインピーダンスなしで接続することは非常に悪い習慣です。Q5とQ3、およびQ2とQ6は、分離せずに結合されています。

これらのFETを激しく駆動すると（最終的にはそうなると思われます）、ゲートが互いにリンギングし、厄介な高周波（MHz）のスプリアスターンオンおよびターンオフ遷移を引き起こす可能性があります。必要なゲート抵抗を均等に分割し、各ゲートに直列に1つの抵抗を配置するのが最善です。数オームでも十分です。または、2つのゲートの1つにフェライトビーズを置くこともできます。

PチャネルFETのゲートのプルアップ抵抗は、大きさが2桁程度です。220オームのプルアップで動作するこのような低周波（<1 kHz）Hブリッジを吹きました。私は今100オームであり、それは大丈夫です。問題は、Pチャンネルをオンにしたときにプルアップに大きな寄生電流が発生し、1ワットの損失が発生することです！また、プルアップ抵抗は頑丈である必要があります-約1/4ワットを並列接続し、PWMを300 Hzのようにかなり低くします。

これが重要な理由は、MOSFETを完全にオン/オフするために、非常に短い時間、ゲートに大量の電流を流す必要があるためです。「中間」状態のままにすると、抵抗が十分に高くなり、デバイスが加熱され、魔法がすぐに消えてしまいます。

また、PWM制御のゲート抵抗が大きすぎます。また、十分に高速に駆動するには、100オーム以下のオーダーである必要があります。PWMをキロヘルツ以上で実行する場合は、さらに多くが必要になるため、その時点でドライバーICを探してください。

ブリッジの両側が同じ制御信号に接続されているという事実に懸念があります。N-FETバッファー/インバーターによる追加の遅延により、H-Bridgeの片側の上側と下側の両方のFETを同時に短時間オンにすることができます。これにより、ハーフブリッジレッグに大量の電流が流れ、場合によってはパワーFETに損傷を与える可能性があります。

4つのFETドライブ信号すべてに対して、MCUから個別の接続を提供します。このようにして、ブリッジの同じ側にある他のFETをオンにする前に、FETをオフにする間にデッドタイムがあるように設計できます。

R1とR3は80または100オームでなければなりません.R1とR3の直後に1kオームのプルダウン抵抗を追加して、オフになるたびに0にプルする必要があります。 mosfetドライバーはコントローラーにとってより良く安全です。そして、回路の残りの部分は大丈夫です。別のことは、mosfetデータシートをチェックして、mosfetの遅延時間（ナノ秒単位）がオンになるかどうかを確認することです。あなたのpwm希望の周波数で動作します..