N-Channel H-Brücke für RC Car

[Tristan K. (tristan_k)]

Hallo Zusammen,

ich habe mir vor einiger Zeit ein RC Car mit Bürstenmotor gebaut, 
gesteuert wird das ganze durch einen Arduino.
Nachdem mir 2 Motorsteuerungen abgeraucht sind und mir eine ordentliche 
für 50€ zu teuer ist (das RC Car kostete ohne Motorsteuerung nur 90€), 
kam ich auf die Idee mir die Motorsteuerung selber zu bauen. Dafür packe 
ich gerne Lieblingsthemen des Forums aus...N-Channel H-Brücken und 
Totem-Pole Treiber ;).

Was auf dem Schaltplan nicht aufgezeichnet ist (damit es übersichtlicher 
bleibt), ist dass bei den Low Side Mosfets jeweils zwei pro Seite sind. 
Vielleicht ist es übertrieben, jedoch verzichte gerne auf noch mehr 
lustigen weißen Rauch.

Die High Side Mosfets funktionieren nur als Schalter (gas geben, an | 
nichts machen, aus). Deswegen auch die Beschriftungen bei +5V.

Als Stromversorgung verwende ich 95% der Zeit einen 2S Lipo und hin und 
wieder mal einen 3S.
Benutzt werden die Akkus bis maximal 6,8V und 10,2V

Erstes Problem: High Side N-Channel Mosfets
Da ich sowieso einen DC/DC Step Up Converter verwende, kam ich auf die 
Idee, diesen für die High Side zu nehmen. Da die Mosfets auch bei dem 3S 
Lipo ordentlich durchschalten sollen, wollte ich 22V nehmen.
Ich hab so viel recherchiert, dass ich langsam nicht mehr 
durchblicke...deswegen, würde das so gehen?

Warum keine P-Channel? Kosten und Verlustleistung, ich hatte noch 6 
IRF3808 übrig.


Zweites Problem: Mosfets schnell an- und abschalten
Die Low Side Mosfets werden mit PWM betrieben, von 0-100%, das PWM 
Signal kommt vom Arduino mit ~9khz.
Da die IRF3808 Mosfets nicht Logic Level sind, kam mir die Idee einer 
Totem Pole, bzw Push-Pull Schaltung. Dass es Mosfet Treiber gibt weiß 
ich, jedoch habe ich noch mehr als genug BJTs herumliegen und würde es 
gerne mit diesen lösen.
Ich hab viel gelesen, dass es Probleme mit dieser Schaltung gibt, bitte 
verbessert mich, aber es war einmal, dass Strom während der 
Umschaltphasen (halbwegs) ungehindert von +8,4V zu GND schießen kann?
Und zweitens, dass viel Spannung an den BJTs abfällt? Laut Datenblatt 
hat der IRF3808 auch bei Spannungen von 6-7V noch ganz gute Ron Werte 
und solange man sich unter 100A befindet, sollte das weniger ein Problem 
sein (natürlich solche hohen Ströme nur kurz)
Um die hohe Stromstärke etwas zu verringern, habe ich auch einen 
Softstart programmiert (von 0-100% braucht es 1,275s).

Gibt es Kühlung? Ja, drei Mosfets werden jeweils auf ein 80x30x0,8mm 
Kupferblech geschraubt und von oben pustet noch ein 60mm Lüfter.


Drittes Problem:
Bzw. eher eine Verständnisfrage, wenn ich alle Mosfets abschalte, also 
das kein Strom fließt, dann bremst der Motor und Strom fließt über die 
Dioden?


Dann noch die technischen Daten:
- Bürstenmotor mit 7,2V/16A, wird betrieben mit 2S und 3S Lipo, laut 
ohmschen Gesetz also 8,4V/18,7A und 12,6V/28A
Blockierstrom: ?
- IRF3808 
(https://www.reichelt.de/mosfet-n-kanal-75-v-140-a-rds-on-0-007-ohm-to-220ab-irf-3808-p90233.html?&trstct=pos_0&nbc=1)

Das ist nicht mein erstes Projekt, jedoch mein Hardware mäßig 
kompliziertestes, ich habe das Internet durchforstet, jedoch nicht genau 
die Fragen beantwortet bekommen, die ich hatte. Außerdem ist das mein 
erster Beitrag auf dieser Plattform, deswegen bitte ich, mich nicht zu 
sehr zu steinigen ;p

[Flip B. (frickelfreak)]

ich empfehle dir einen fertigen Mosfet-driver nach app-note einzusetzen, 
im Plan und in der beschreibung sind einige irrtümer  so dass es dir 
viele mosfets kosten würde, um das mit diskreten transen zum laufen zu 
bringen.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Q4 und Q6: Emitter und Kollektor vertauscht. Wenn du einen Emitterfolger 
mit 5V ansteuerst, gibts am Ausgang nur etwa 4,3V, selbst wenn du mit 
8,4V speist. Das wird sehr knapp für den IRF3808.
Ist Schalter_1 und PWM_01 aktiv, gibts ein Shoot-Through, ebenso bei 
Schalter_02 und PWM_02.
Max. Ugs Spannung der oberen IRF3808 wird mit etwa 21V leicht 
überschritten.
Kein Reservoir Elko an der Motorspannung. Dioden sind in den MOSFets 
schon drin.
Ich empfehle P-Channels und Logiklevel N-Channels, das läuft besser:
Beitrag "Re: RC-Servoelektronik für DC-Motor"

[Rainer W. (rawi)]

Tristan K. schrieb:
> Die High Side Mosfets funktionieren nur als Schalter (gas geben, an |
> nichts machen, aus). Deswegen auch die Beschriftungen bei +5V.

Problem: Die Ansteuerung von Q1 (Q2 genauso) kann so nicht 
funktionieren.
Mit einem 5V-Signal an Schalter_1 kommst du abzgl. U_BE von Q1 auf etwa 
4.3V am Gate von T1. Damit kannst du T1 nicht öffnen. Da fehlt noch eine 
Stufe.

Dass das (hochohmige) Abschalten über R4/R5 nur passieren darf, während 
die Low-Side FETs aus sind und kein Strom mehr durch T1 fließt, ist ja 
schon klar.
Gleichzeitiges Durchschalten von T1 und T3 wäre auch tödlich - da muss 
die Software aufpassen.

Tristan K. schrieb:
> Drittes Problem:
> Bzw. eher eine Verständnisfrage, wenn ich alle Mosfets abschalte, also
> das kein Strom fließt, dann bremst der Motor und Strom fließt über die
> Dioden?

Richtig, der Strom fließt zwar noch durch die Wicklung, wenn er 
irgendwie kann - das will die Induktivität der Motorspulen so - aber es 
bleibt ihm nur der Weg über die Dioden. Die Energie aus dem Magnetfeld 
baut sich dann über die Verlustleistung an den Dioden und dem ohmschen 
Widerstand der Wicklung ab.
Bau dir die Brücke mit der Wicklungsinduktivität in LTSpice nach und 
gucke es dir an.
Alternative wäre es, die FETs so zu steuern, dass der Strompfad zum 
Entladen des Feldes aktiv über die FETs bereitgestellt wird. Durch 
Rückspeisung in die Versorgung kann man dann z.B. schneller bremsen. 
Oder die FETs parallel zu den dann leitenden Dioden werden 
eingeschaltet, so dass der Strom ohne den Verlust an den Dioden weiter 
fließen kann (die Verluste am FET sind i.d.R. deutlich geringer). Das 
spart Verlustleistung.

[Tristan K. (tristan_k)]

Erstmal danke für die schnellen Antworten!

Tatsächlich habe ich vergessen, den Elko einzuzeichnen, ist mir aber 
bewusst.
Auch, dass Dioden in den Mosfets sind, weiß ich, allerdings ist das ein 
viel diskutiertes Thema und um sicher zu gehen, dass diese nicht 
abrauchen, wollte ich extra Dioden nehmen.
Wie schon Rainer schrieb, werde ich natürlich per Software verhindern, 
dass ich PWM_01 und Schalter_01 (und das pendant) gleichzeitig geöffnet 
werden können, ich hätte es wahrscheinlich über kreuz schreiben sollen, 
mein Fehler.

Matthias S. schrieb:
Max. Ugs Spannung der oberen IRF3808 wird mit etwa 21V leicht
überschritten.

Ich hätte die Gate Spannung (von dem DC/DC Wandler) für die High Side 
Mosfets so hoch gewählt, weil an der Source ~ +8, bzw +12V anliegen, 
oder nicht? Am Motor fällt doch der Großteil der Spannung ab. Meiner 
Recherche nach (zumindest habe ich es so verstanden), ist das das 
Problem, weshalb High-Side N-Channel Mosfets nicht so einfach 
durchgeschaltet werden können.

Matthias S. schrieb:
Q4 und Q6: Emitter und Kollektor vertauscht.

Danke, das mit dem Emitter und Kollektor hatte ich nicht gesehen!



Anderer Gedanke und ja, ich hätte auch früher darauf kommen können, 
leider habe ich meine IRLZ34N nicht beachtet, tut mir leid!
Als Alternative zu den BJTs könnte ich auch die IRLZ34N und z.b. IRF5305 
nehmen (Letztere kann man relativ günstig kaufen). Wäre daraus eine Push 
Pull Konfiguration möglich? Und natürlich bei der High-Side statt dem 
NPN BJT ein MOSFET.
Problem an Push-Pull Konfigurationen aus Mosfets war die Möglichkeit 
eines Shoot-through während der eine Mosfet ab- und der andere 
anschaltet, richtig?


Ich habe schonmal direkt einen Schaltplan erstellt, die doppelten 
Widerstände am Low-Side Fet sollen einen Shoot through verhindern und 
den Strom begrenzen.
Gibt es irgendwelche Fehler in der Schaltung bezüglich der Schaltung der 
Mosfets? (Außer natürlich, dass es nur eine Hälfte der H-Brücke ist)

Wenn Ihr sagt, dass es keine wirkliche Lösung gibt, die irgendwie 
zufriedenstellend ist, werde ich natürlich auf fertige Mosfet Treiber 
und/oder größere P-Channel Mosfets zurückgreifen.


IRF5305: 
https://www.reichelt.de/mosfet-p-kanal-55-v-31-a-rds-on-0-06-ohm-to-220ab-irf-5305-p41612.html?&trstct=pol_89&nbc=1

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Tristan K. schrieb:
> Als Alternative zu den BJTs könnte ich auch die IRLZ34N und z.b. IRF5305
> nehmen

Nö, mit Sourcefollowern kommt hinten noch weniger raus als mit 
Emitterfolgern. Du suchst aber nach einer Schaltung, die mit z.B. 8,4V 
gespeist wird und die auch als Gateansteuerung liefert, wenn sie mit 5V 
am Eingang angesteuert wird.
Das kann also keine Kollektorschaltung sein, sondern eine 
Emitterschaltung oder ein Treiberbaustein.

Tristan K. schrieb:
> Am Motor fällt doch der Großteil der Spannung ab. Meiner
> Recherche nach (zumindest habe ich es so verstanden),

Es kommt aber auch der Zustand vur, das die Source auf GND Level liegt, 
wenn der Motor noch steht. In diesem Fall wird Ugs max. überschritten.
Es wird wirklich viel leichter und handlicher, wenn du in der Highside 
P-Channels verwendest. Siehe den Fahrtenregler aus meinem U-Boot.

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Tristan K. schrieb:
> Ich habe schonmal direkt einen Schaltplan erstellt.

Mit einem P-Mosfet brauchst du keine 22V mehr und es wird alles 
einfacher. Ich habe nur eine Brückenhälfte gezeichnet. Somit hat das 
Konstrukt 4 Eingänge. Die Eingänge 3 und 4 muss man quasi spiegeln und 
sich dazudenken.

[Tristan K. (tristan_k)]

Matthias S. schrieb:
> Nö, mit Sourcefollowern kommt hinten noch weniger raus als mit
> Emitterfolgern.

Okay, klingt nicht gut, dann muss ich mich wohl dahingehend geschlagen 
geben. :D

Matthias S. schrieb:
> Es wird wirklich viel leichter und handlicher, wenn du in der Highside
> P-Channels verwendest. Siehe den Fahrtenregler aus meinem U-Boot.

Wird gemacht, danke fürs erklären!

Michael M. schrieb:
> Mit einem P-Mosfet brauchst du keine 22V mehr und es wird alles
> einfacher. Ich habe nur eine Brückenhälfte gezeichnet. Somit hat das
> Konstrukt 4 Eingänge. Die Eingänge 3 und 4 muss man quasi spiegeln und
> sich dazudenken.

Vielen Dank für die Mühe mit der Zeichnung!
Ich werde das ganze dann so austesten.