¿Por qué no ha funcionado este puente H con sólo FETs de canal N?

Question

Basado en esta respuesta aquí en StackExchange y el artículo de Motorola que cita, he diseñado un controlador de motor de doble puente h con transistores push-pull para conmutar los FETs más rápidamente, he diseñado un PCB en KiCad y lo he construido.

Las restricciones eran utilizar sólo FETs de canal N que se encuentran en una vieja placa base de ordenador, y no tenía controladores de puerta (en realidad he comprado un par de IR2110s, pero tardarán mucho en llegar).

Cuando probé esta primera versión con un motor de helicóptero RC de juguete, funcionó durante un par de veces, pero finalmente la mitad de cada puente h (había 2 de ellos) entró en cortocircuito (mucho humo y todo). Todo funcionaba con 2 celdas de iones de litio (7,4V) para VCC y una tercera celda de teléfono pequeña (3,7V) en serie para un total de 11,1V en Vdrive.

Usé el multímetro para comprobarlo y parece que el IMZ1A no podía tirar de los FETs del lado alto por alguna razón. Inicialmente podían, pero luego dejaron de funcionar. Los 2N7002 estaban bien. Intenté reemplazar tanto los FETs de potencia en cortocircuito como los IMZ1A por otros nuevos, pero volvió a ocurrir el mismo problema.

Cansado de quemar cosas, pero aún tratando de probar que se podía diseñar un simple puente de sólo N canales, hice este nuevo circuito:

Este sí que ha funcionado y funciona hasta ahora, a pesar de ser muy sencillo. La pregunta es: ¿por qué no funcionó el primer circuito? ¿Hay algo malo en el diseño?

EDIT: Adquirí algunas formas de onda para el último circuito:
Este en condiciones de vacío

Y esto con el motor. La resistencia del inducido medida era de unos 2,2R y la inductancia de unos 240uH.

Answer 1

Sus dos circuitos sufren de problemas de disparos. Esto es lo que ocurre cuando no se da a cada transistor una señal de control independiente. El problema puede ser peor en tu circuito superior, ya que el controlador de puerta del lado alto es mucho más eficaz que el controlador de puerta del lado bajo.

Por otro lado, no sé para qué se supone que sirven R4 y R12, ya que sólo estorban y podrían estar haciendo que tu driver de la puerta alta funcione peor que el inferior. De cualquier manera, el resultado es el mismo: peor disparo.

En una respuesta, ahora borrada, dijiste que R4/R12 era para limitar la corriente a través de Q3. Esto no es realmente un problema porque cuando Q3 está encendido, la corriente en una rama ya está limitada por R3. En la otra rama, la corriente que fluye a través de la base-emisor de Q5B (que también fluye a través de Q3) haría estallar tanto Q5B como Q3... excepto que no lo hace porque Q5A está apagado. Deshazte de ellos.

Por último, este es un problema mucho más fundamental del que adolecen tus dos circuitos y que puede requerir un rediseño, lo que hace que todos los puntos anteriores sean discutibles de todos modos: Su controlador de puerta no conduce las puertas del MOSFET del lado alto con un voltaje relativo a la fuente. Las conduce con un voltaje relativo a la tierra, pero los MOSFETs del lado alto no pueden ver la tierra, ni les importa lo que es. Lo único que les importa es la tensión entre sus terminales puerta-fuente.

Piénselo, suponga que su controlador de puerta se enciende y la corriente fluye a través del motor. El nodo de salida del medio puente que se conecta a la alimentación positiva subiría de tensión hacia Vcc. Por lo tanto, el voltaje de la fuente para el MOSFET del lado alto también aumentaría. Si su tensión de puerta está referenciada a tierra, entonces su Vgs aplicada al MOSFET disminuye rápidamente apagando el MOSFET (o peor, encendiéndolo parcialmente). Esta es la razón por la que se necesitan controladores de puerta flotante para los MOSFETs del lado alto y esto es lo que fundamentalmente hace que todos los puentes H de canal N (y medios puentes) sean más complejos.

El enfoque más sencillo es probablemente añadir un diodo de arranque y un condensador a sus diodos de lado alto, pero esto tiene la limitación de no poder funcionar al 100% del ciclo de trabajo. Cada vez que un MOSFET de lado bajo se enciende, el condensador de arranque de ese lado se conectará a tierra para permitir que se cargue (refresque) a través del diodo. Cuando el MOSFET del lado bajo se abre, el condensador flotará hasta el voltaje de la fuente del MOSFET del lado alto y el diodo evita que el condensador de arranque se vacíe. Por lo tanto, el MOSFET del lado bajo tiene que encenderse periódicamente (normalmente a través de la operación normal) para refrescar el condensador de arranque que está actuando como el suministro flotante para las puertas del MOSFET del lado alto.