H-мост

	Авторские права.
Материал свободен для ознакомления. Для использования в коммерческих разработках или публикации необходимо разрешение администрации сайта Робофорум (www.RoboForum.ru) либо автора перевода (--Digit 12:38, 5 мая 2008 (MSD)).

Примечание к переводу

Данный материал - это вольный перевод серии англоязычных статей авторства Andras Tantos.
Статьи в исходном варианте можно найти по адресам:
Часть 1: http://www.modularcircuits.com/h-bridge_secrets1.htm
Часть 2: http://www.modularcircuits.com/h-bridge_secrets2.htm
Часть 3: http://www.modularcircuits.com/h-bridge_secrets3.htm
Рядом с некоторыми терминами в скобках я указывал их англоязычное написание. Во-первых, я не специалист и мог ошибиться в их переводе, а во-вторых, это ключевые слова, по которым можно вести поиск в англоязычной литературе.

Секреты H-мостов

Введение

В процессе разработки специализированного микромодуля H-моста (http://www.modularcircuits.com/h-bridge.htm) я многое изучил в данной области. Ниже описаны те вопросы, которые я не встречал в публикациях, и о которые обжегся (иногда в прямом смысле). В общем, я решил поделиться данной информацией в надежде, что она будет полезна для вас. Ну и отмазки: используйте данную информацию как отправную точку в вашем изучении H-мостов, а не как панацею и ответ на все вопросы.

В целом, H-мост – это простая схема, состоящая из четырех ключей с нагрузкой между ними (рисунок ниже). Таким образом, внешне она напоминает букву «Н», откуда, собственно, и название.

Традиционная схема Н-моста

Ключи Q1…Q4 обычно являются биполярными либо FET транзисторами. Если схема работает в высоковольтных сетях, то могут использоваться IGBT-транзисторы. Кроме того, никто не запрещает использовать реле или даже обычные выключатели. Но мы будем рассматривать полупроводниковый вариант реализации схемы.

Кроме возможности собрать мост из дискретных элементов, существуют еще и интегральные решения (весь мост в одной микросхеме, да к тому же еще и управляющая логика там же). Однако для многих разделов данной статьи не так уж и важно, интегральное решение рассматривается или дискретное.

Диоды D1…D4 называются ограничительными диодами (catch diodes) и чаще всего являются диодами Шоттки. Они упоминаются в большинстве документов, так или иначе связанных с Н-мостами, однако их роль в схеме чаще всего умалчивается. В данной статье я попытаюсь восполнить данный пробел.

В общем случае все четыре ключа в схеме могут быть независимо переведены в состояние «включено» либо «выключено» (соответственно, транзисторы открыты либо закрыты). Это накладывает ряд вполне очевидных ограничений, о которых я также расскажу ниже. Наиболее распространенной нагрузкой, используемой с Н-мостами, являются щеточные моторы постоянного тока (DC-motor) либо биполярные шаговые моторы (для шаговиков необходимо два Н-моста на один мотор, т.е. по одному мосту на обмотку).

Принцип действия

Принцип действия Н-моста потрясающе прост:

1. если Q2 и Q3 открыты, а Q1 и Q4 закрыты, то левый вывод мотора на нашей схеме будет подключен к земле, а правый – к питанию. Через обмотки двигателя будет течь ток, и двигатель будет вращаться вперед (направление мы выбрали условно).
2. если Q1 и Q4 открыты, а Q2 и Q3 закрыты, то левый вывод мотора будет подключен к линии питания, а правый – к земле. Через обмотки двигателя опять же будет течь ток, но на этот раз в противоположном направлении, и двигатель будет вращаться назад.

Если требуется вращение двигателя со скоростью (или моментом) меньше, чем максимальным, один из ключей управляется ШИМ-сигналом (PWM). При этом среднее напряжение на моторе будет определяться ШИМ-сигналом, а именно отношением между временем, на протяжении которого ключ будет открыт и закрыт.

Ток при вращении вперед

Ток при вращении назад

Выбор элементной базы

Основным решением, которое необходимо принять при создании Н-моста, является выбор ключей. Существует множество факторов, которые надо бы при этом учитывать, однако существует ряд ключевых моментов, без четкого понимания которых дальнейшая работа по созданию Н-моста может стать игрой в «угадайку». К этим ключевым факторам относятся: ток и напряжение нагрузки, а также частота переключения ключей (по сути, частота ШИМ).

Для большинства применений полевые транзисторы (MOSFET) могут считаться хорошим выбором, поэтому я буду рассматривать выбор именно этих транзисторов.

Когда MOSFET работает в режиме ключа, он может иметь два состояния: открыт и закрыт. В открытом состоянии он в той или иной степени ведет себя как резистор малого номинала. Его сопротивление называется сопротивлением канала (channel resistance) и в даташитах обозначается как R_dson. Очевидно, что чем выше это значение, тем больше потери энергии на MOSFETе. Пока эффективность Н-моста низка, он будет греться, поскольку потери энергии преобразуются в тепло и рассеиваются. Таким образом, чем меньше значение сопротивления канала, тем лучше, и тем выше КПД Н-моста.

Еще один фактор, о котором необходимо сказать, это зависимость R_dson от температуры. Сопротивление канала увеличивается с увеличением температуры. В справочной документации сопротивление R_dson приводится для нормальных условий (чаще всего, для 25°С), однако эта температура редко когда бывает в реальных условиях эксплуатации. Таким образом, обязательно смотрите графики зависимости R_dson от температуры для всего диапазона температур, в которых планируете использовать вашу схему. Это необходимо, чтобы удостовериться, что транзисторы будут использоваться в штатном режиме, а КПД схемы будет удовлетворительным. Очередным решением, которое необходимо принять на этапе выбора элементной базы, является выбор между N-канальным и P-канальным полевым транзистором. Полевые транзисторы с N-каналом традиционно имеют существенно меньшее сопротивление R_dson, однако они гораздо сложнее в управлении в верхних плечах моста (на позициях Q1 и Q3). По большей части нижние плечи моста всегда делаются на N-канальных транзисторах, тогда как верхние плечи бывают как N-канальными, так и P-канальными. Подробнее о проблеме использования N-канальных полевых транзисторов в верхних плечах моста я расскажу чуть позже. На текущем же этапе достаточно сказать, что это решение в значительной мере определяет схему управления мостом.

После того, как тип ключей определен, можно приступить к выбору элементной базы. Ток нагрузки и доступность принудительного охлаждения моста определяют максимальное значение сопротивления канала R_dson. В принципе, чем больше корпус транзистора, тем больше тепла он может рассеять, и, следовательно, большие токи он может коммутировать (при условии равенства сопротивления канала для транзисторов в разных корпусах). Традиционными корпусами транзисторов являются SO-8, D-PAQ и D2-PAQ для поверхностного монтажа и TO-92, TO-220 и TO-3 для монтажа в отверстие. Безусловно, существуют и другие в той или иной мере экзотические типы корпусов, но приведенные выше наиболее широко распространены.

При работе с корпусами для поверхностного монтажа необходимо помнить, что их термические характеристики сильно зависят от топологии печатной платы. В качестве примера давайте рассмотрим корпус TO-220. В случае отсутствия пассивного охлаждения (радиатора) он имеет термическое сопротивление порядка 60°С/Ватт. Пусть транзистор в этом корпусе может функционировать вплоть до 170°С. Итак, если температура окружающей среды не будет подниматься выше 80°С, транзистор в корпусе TO-220 сможет рассеять 1.5 Ватта энергии (1.5*60+80=170). То есть, если вы хотите коммутировать ток 10 А, из формулы Р=I²*R вы можете получить максимальное сопротивление канала R_dson=15 мОм=0.015 Ом. Так получилось, что данное значение отлично ложится в параметры полевого транзистора IRF1010Z, который имеет R_dson=7.5 мОм при температуре 25°С и приблизительно в два раза больше при 170°С.

Конечно, если вы можете обеспечить лучшее охлаждение с помощью радиатора и/или вентилятора, то вы при прочих равных условиях сможете коммутировать большие токи. Также вы можете раскошелиться на MOSFETы с меньшим параметром R_dson. Но тут есть один нюанс: чем меньше R_dson, тем больше MOSFET. Чем больше устройство (имеется ввиду полевой транзистор, его ядро), тем больше у него площадь затвора. Затвор в MOSFETах устроен таким образом, что образует конденсатор с истоком (и со стоком тоже, но в данном случае для нас это не так уж важно). Поскольку MOSFET – это устройство, управляемое напряжением, то напряжение между его затвором и истоком должно быть в определенных пределах, чтобы транзистор был полностью открыт. Чтобы закрыть транзистор, напряжение также должно попасть в определенный (на этот раз уже другой) диапазон. Таким образом, для переключения транзистора из одного состояния в другое необходимо заряжать и разряжать эту паразитную емкость затвора. Итак, имея большую мощность, мы получаем большую паразитную емкость затвора, а, следовательно, больше времени занимает ее зарядка и разрядка. Почему это может быть важно?

Полевые транзисторы имеют низкое сопротивление канала, когда они полностью открыты, и они не проводят ток, когда они полностью закрыты. В обоих граничных случаях рассеиваемая энергия относительно мала. Как правило, невозможно перейти из открытого состояния в закрытое и обратно мгновенно. В любом случае будет присутствовать короткий период, когда транзистор не до конца открыт или закрыт, т.е. когда R_dson относительно велико, но не настолько, чтобы ток прекратил течь через нагрузку. В этот период смены состояния и падение напряжения на транзисторе (в силу сопротивления канала), и ток через него одинаково важны и определяют высокое рассеивание энергии на транзисторе. Естественно, вам захочется сделать этот период настолько коротким, как это только возможно, а значит большая паразитная емкость затвора – это не то, чего нам бы хотелось. Подытоживая, емкость затвора определяет скорость переключения транзистора, а значит КПД схемы и предел частоты функционирования устройства.

Несмотря на все выше сказанное, есть еще один фактор, который необходимо иметь ввиду: чем быстрее транзистор переключается, тем более резкие изменения напряжения и тока происходят в схеме. Эти изменения в свою очередь вызывают электро-магнитные помехи, которые также не желательны. Если коротко, вам не следует делать скорость переключения (не частоту!) слишком большой, иначе вы рискуете получить высокий уровень помех в ваших цепях.

Потери энергии при переключении транзистора не так важны в случае низкочастотных устройств (частота порядка пары сотен Герц), но при увеличении частоты эти потери значительно увеличиваются, а после определенной точки они становятся основным источником потерь.

Верхние ключи моста: выбор между N- и P-канальными транзисторами

Давайте потратим некоторое время на то, чтобы разобраться с этим вопросом. Как уже сказано выше, полевые транзисторы с N-каналом могут быть выбраны для этой роли за счет их высокой эффективности. Но существует проблема: для того, чтобы они в верхних плечах моста функционировали корректно, их источник должен быть подключен к выводу мотора, а сток – к питанию. Когда используется P-канальный транзистор, его источник подключается к линии питания, а сток – к выводу мотора.

Итак, проблема в том, что полевые транзисторы управляются напряжением затвор-исток.

Для P-MOSFETа это значит, что если подключить затвор к линии питания, то напряжение затвор-исток будет равно нулю и транзистор будет закрыт, а если затвор подключить к земле, то транзистор будет открыт (если, конечно, напряжения питания достаточно для открытия транзистора), поскольку напряжение затвор-исток будет равно напряжению питания.

Для N-канального полевого транзистора ситуация гораздо сложнее. Если вы подключите затвор к земле либо к истоку, то транзистор будет закрыт (напряжение затвор-исток меньше либо равно нулю). Но куда в таком случае подключать затвор? Напряжения питания не достаточно, поскольку, когда транзистор откроется, его исток окажется практически под тем же напряжением, что и затвор. Однако напряжение на затворе должно быть больше для того, чтобы транзистор остался открытым! По факту как минимум на 5В больше для транзисторов, управляемых логическим уровнем, и на 10-15В больше для обычных MOSFETов. То, что это напряжение должно быть каким-то образом сгенерировано, – очень важная проблема. В большинстве подобных случаев применяются различные типы зарядных помп (charge-pump), как в виде самостоятельных устройств, так и в виде boot-strapping. Последний вариант, как правило, возможен только в случае, если мост работает в режиме «заблокированной противофазы» (см. ниже). В любом случае, эти драйверы верхних ключей моста не могут обеспечить такой же ток, как драйверы нижних ключей, что означает большее время открытия и закрытия верхних ключей (меньший ток дольше заряжает и разряжает емкость затвора). В случае высокочастотных цепей, когда потери времени на переключение становятся ключевым моментом, полевые транзисторы с P-каналом могут быть лучшим решением. В случае низкочастотных цепей с высокоамперной нагрузкой, когда потери на переключение не являются проблемой, в то время как сопротивление канала чрезвычайно важно, N-канальные транзисторы являются лучшим компромиссом.