Pont en H MOSFET pour GROS moteurs !

[Montspy]

Bonjour,
J'aimerais réaliser un contrôleur de moteur CC pour la commande de gros moteurs (24V 250W donc 11A nominal). Tous les conseils sont les bienvenus. Voici mon schéma :



Pas grand chose de dimensionné, c'est surtout un schéma de principe, je dimensionnerais si il n'y a pas de problème.
On a biensur IN1 = /IN2.
La commande se fait avec un Arduino (ATMega168 sur un PCB pour se simplifier la vie). Des radiateurs sont prévus (je pense prendre ceux d'alim de PC et de les tailler).

En entrée, j'aurais du PWM (f = 490Hz) en IN1 et en IN2 (signaux complémentaires), cela dérange-t-il (risque de court-circuit, commutation rapide ?).

Merci.
Cordialement.

PS : Si j'ai oublié de préciser des choses demandez
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[Qristoff]

Bonjour,
C'est pour de la simulation ou une réalisation réelle ?

1/ Je te conseille d'utiliser 4 mos N et non pas des complémentaires. Les Nmos ont des Rdson généralement plus faibles.
2/ Ensuite, il faut ajouter des drivers de Mos car ton Arduino ne sera pas assez musclé pour piloter les Mos.
3/ Il faut ajouter un contrôle/limitation de courant dans le pied du pont H
4/ Il faut ajouter un vérrouillage par circuit logique du pont H pour éviter de court-circuiter le pont en cas de mauvaise commande (phase de débuggage logiciel)

Tu vois, il manque pas mal de chose à ton schéma !

ps: 490Hz pour du PWM est insuffisant, essaie de tourner beaucoup plus vite (entre 10kHz et 20kHz)

[Montspy]

Merci Qristoff !

Donc c'est pour une réalisation réelle, skateboard motorisé segway-like : ici. Lui, il utilise un driver de moteur 2x25A Sabertooth qui est certes très bien mais hors budget (et de loin), dans les 200€ :/

1/ Si j'ai bien compris le Rdson plus faible permet de moins chauffer ?

2/ Les drivers de MOS servent simplement à amplifier le signal en tension ? Ce serait possible de les remplacer par un MOSFET canal-N par branche ? Si tu as des liens vers des datasheet de ces composants (drivers), je suis preneur.

3/ Quel genre de circuit peut réaliser cette tâche ? Une résistance en mesurant la tension a ses bornes on obtient l'intensité la traversant (U=RI) ? Pour la résistance, quelle puissance faudrait-il (pas 1/4W je suppose )

4/ Verrouillage ? Comment ça ? une sorte de 3eme commande "enable" ?

Pour le PWM, c'est la fréquence de sortie de l'Arduino, je me débrouillerais pour faire du PWM software a 10kHz ou plus.

Merci encore, je retravaille ça et je poste un schéma.

Cordialement.

[Montspy]

Le bouton éditer a disparu ! Donc désolé pour le double-post.

J'ai trouvé deux références de driver de mosfet (demi pont en H en fait) : IR2111 et IR2104 qui conviendrait (selon moi) mais je n'arrive pas a comprendre quel tension appliquer a Vcc pour commander du 24V (enfin 22.2V car je risque d'utiliser des batteries Li-Po en série). De plus, y a-t-il des valeurs typiques pour les 3 condensateurs (découplage => 100nF ?) et les deux résistances (qui sont là pour faire un RC le Nmos, non ? Quel est l'intérêt ?)
Ces circuits ont un temps mort interne, c'est ce que tu appelles verrouillage ?

Voici le schéma

Pour la résistance de shunt, je brancherais surement a un comparateur sinon adieu le µC, une idée de valeur ?

Cordialement.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Qristoff]

Salut
la tension minimum à appliquer correspond à la tension Vgs des mos pour laquelle le RDSon est garanti à une valeur faible. 12V par exemple. Voir la datasheet des Nmos que tu as choisi.
Pour la diode, c'est une Schottky qu'il faut avec 500mA mini.

[DAUDET78]

Le 7805 tient 25V max ... je piquerais plutot son alimentation sur le +12V (voir les problèmes de dissipation)

Il manque les quatre diodes sur les NMOS

[Montspy]

Pour les mosfet je pense prendre des IRF3710
Dans la doc on peut lire :

RDS(on) : 23 mΩ (VGS = 10V, ID =28A)

Donc si j'alimente mon IR2111 en 12V c'est bon !

Qristoff, tu parles de quelle diode ? Celle du driver ?

DAUDET : Pardon ce n'est pas un 7805 mais un 78S05 qui tient 35V en entrée, mais si tu dis que c'est mieux de repiquer sur le 12V, il faut juste que je prenne un 78T12 (12V 3A) pour être sur ? (le 12V alimentera les 2 drivers).

Les diodes sont intégrés aux Nmos IRF3710 donc plus besoin.

Autres questions :

3/ Il faut ajouter un contrôle/limitation de courant dans le pied du pont H
4/ Il faut ajouter un vérrouillage par circuit logique du pont H pour éviter de court-circuiter le pont en cas de mauvaise commande (phase de débuggage logiciel)

Le contrôle du courant avec une résistance me parait un peu faiblard pour les intensités en jeu (11A nom). Comment je peux faire ?

Je ne comprends toujours pas ce que tu veux dire par : "verrouillage".

Est-ce que je peux faire sauter les résistances devant la grille des Nmos ?

Pour le radiateur, je le fixe avec le trou prévu pour la vis mais cette partie est reliée au drain, comment je fais pour ne pas tout court-circuiter ?

[DAUDET78]

Les diodes sont intégrés aux Nmos IRF3710 donc plus besoin.

Tu as vu leurs performances ? dégueulasse ...

Le contrôle du courant avec une résistance me parait un peu faiblard pour les intensités en jeu (11A nom).

Un shunt, c'est un shunt! Il en existe pour 1000A !

Est-ce que je peux faire sauter les résistances devant la grille des Nmos ?

Non

Pour le radiateur, je le fixe avec le trou prévu pour la vis mais cette partie est reliée au drain, comment je fais pour ne pas tout court-circuiter ?

Tu isoles le radiateur , à défaut le NMOS

[Montspy]

Tu as vu leurs performances ? dégueulasse ...

Tu parles du VSD de 1,2V ? Je dois en rajouter d'autres donc mais est-ce que cela dérange si je garde ces mos (et donc les diodes internes) ?
Le radiateur, je me débrouillerais.

Maintenant les résistances
Le shunt : résistance de très faible valeur. 1Ohm : U = R*I = 1*11 = 11V. Je dois pas bien comprendre car pour moi avec 1Ohm le moteur n'est plus alimenté qu'en 22.2-11 = 11.2V !
Les résistances devant la grille, je les dimensionne comment ?

Merci

[DAUDET78]

Tu parles du VSD de 1,2V ? Je dois en rajouter d'autres donc mais est-ce que cela dérange si je garde ces mos (et donc les diodes internes) ?

tous les NMOS ou PMOS ont, par construction, ces diodes internes

Le shunt : résistance de très faible valeur. 1Ohm : U = R*I = 1*11 = 11V. Je dois pas bien comprendre car pour moi avec 1Ohm le moteur n'est plus alimenté qu'en 22.2-11 = 11.2V !

tu as des résistances de plus faible valeur (0,05 ohm par exemple)

Les résistances devant la grille, je les dimensionne comment ?

une centaine d'Ohm

[Montspy]

J'ai changé de Nmos : 30V 60A RDS(on) de 8mOhm (3,5x moins)

je ne pensais pas qu'on puisse trouver si bon marché des résistances en dessous du dizieme d'Ohm. J'ai choisi 1mOhms 8W, on peut monter jusqu'à 90A (8,1W=90mW*90A)

Pour la résistance des Nmos, je mets des 2W ?

[Qristoff]

Salut
Pour l'alimentation des drivers:
je suis d'accord avec Daudet, il faut que le régulateur 5V soit en cascade avec le régulateur 12V, ça fera toujours ça de moins à dissiper.
Il faut un découplage plus important des drivers, prévoir deux ensembles 10µF/25V tantale +100nF céramique au plus prés de chacun des drivers. ensembles C5 et C7.
Les diodes de bootstrap doivent être remplacées par des diodes schottky d'au moins 500mA (BYV10-40 par exemple)
Les condensateurs de bootstrap (C4 et C6) 100nF, OK

Les résistances de grille:
elles doivent être calculée en fonction de la fréquence PWM (que tu n'a pas indiquée) et de la valeur Cgs du mos (dont on n'a pas la réference !)

Les diodes de roue libre:
elles doivent avoir des meilleures performances que la diode de body du mos (ce qui n'est généralement pas dur !). On choisit des diodes Fast recovery pouvant supporter le courant direct moteur soit 10A min (MUR1540 par exemple)

Pour le circuit de vérrouillage:
voir ici, post #22

ps: cela ne sert à rien de prendre des mos à 8mOhms, si tu ne soigne pas ton circuit + branchement au moteur !
pour l'isolation des mos du radiateur, il existe des patch thermique isolants.

[DAUDET78]

J'ai choisi 1mOhms 8W, on peut monter jusqu'à 90A (8,1W=90mW*90A)

tu passes, d'un extrême à l'autre ....

10A, 1mOhms .... 10 mV ...... bon courage !

[Montspy]

tu passes, d'un extrême à l'autre ....

10A, 1mOhms .... 10 mV ...... bon courage !

Si ça ne va pas dites moi au moins ce qui ne va pas. Je peux mesurer cette différence (résolution de 1,1mV environ), quel est le problème ?

Salut
Il faut un découplage plus important des drivers, prévoir deux ensembles 10µF/25V tantale +100nF céramique au plus prés de chacun des drivers. ensembles C5 et C7.
Les diodes de bootstrap doivent être remplacées par des diodes schottky d'au moins 500mA (BYV10-40 par exemple)
Les condensateurs de bootstrap (C4 et C6) 100nF, OK

Si j'ai bien compris je remplace C5 par 2 condos (et C7 aussi) en parallèles.
Merci pour les diodes

Les résistances de grille:
elles doivent être calculée en fonction de la fréquence PWM (que tu n'a pas indiquée) et de la valeur Cgs du mos (dont on n'a pas la réference !)

Voici la doc technique des Nmos STP60NF03L

Cgs (Ciss dans la doc Input capacitance) = 2550pF
f(PWM) = 10kHz (sur tes conseils)
Donc T(PWM) = 100µs = Tau ?
Tau = RC = R*2550.10^-9
Donc R = Tau/C = 100.10^-6/2550.10^-9 = 39 Ohms ?

Les diodes de roue libre:
elles doivent avoir des meilleures performances que la diode de body du mos (ce qui n'est généralement pas dur !). On choisit des diodes Fast recovery pouvant supporter le courant direct moteur soit 10A min (MUR1540 par exemple)

Encore merci

Pour le circuit de vérrouillage:
voir ici, post #22

ps: cela ne sert à rien de prendre des mos à 8mOhms, si tu ne soigne pas ton circuit + branchement au moteur !
pour l'isolation des mos du radiateur, il existe des patch thermique isolants.

Les drivers ont un temps mort intégré (de 700ns) et les deux Nmos d'un demi-pont sont complémentaires (les drivers commandent les Nmos du même côté du pont). IN1 commande la partie gauche du pont et IN2 la partie droite, pas de cross conduction possible donc (non ?). Par contre les résistances de pull-down sont une très bonne idée !

Si le RDS(on) est 3 fois plus faible, Pj = R.I² donc il chaufferait 3 fois moins non ?

Cordialement

[DAUDET78]

.
réponse déjà donnée ...

tu as des résistances de plus faible valeur (0,05 ohm par exemple)

Il est plus facile de mesurer 0,5V que 10mV (tu es dans la gamme d'offset des comparateurs !)

[Montspy]

Je veux bien utiliser une résistance de 0.05 Ohm mais elle va énormément chauffer en cas de surintensité , on va dire 60A :
avec R = 0.05 Omh
Pj = R.I² = 0.05*60*60 = 180W à dissiper ! (je n'ai pas trouvé plus de 100W)
avec R = 0.01 Ohm
Pj = R.I² = 0.01*60*60 = 36W mieux mais ça m'étonnerais que la surintensité soit de seulement 60A.
alors que avec R = 0.001 Ohm
Pj = R.I² = 0.001*60*60 = 3.6W seulement, j'ai trouvé jusqu'à 8W (intensité de 90A environ).

[DAUDET78]

Tu n'as rien pigé sur le rôle de cette résistance ....
C'est un shunt qui permet de transformer le courant en tension. Si la tension aux bornes de cette résistance dépasse 0,5V, on coupe le pont "H". Donc

• La puissance de la résistance est de 5W (donc on prend une 10W)
• Le courant ne peut jamais atteindre 60A ......

[Montspy]

Effectivement, vu comme ça, je ne sais pas pourquoi je prenais un seuil aussi grand...
Désolé alors.
Je prends une 20W 0.05 Omh +-1% , celle-ci. Donc je coupe dès 0.7V environ 14A.

Voici la doc technique des Nmos STP60NF03L

Cgs (Ciss dans la doc Input capacitance) = 2550pF
f(PWM) = 10kHz (sur tes conseils)
Donc T(PWM) = 100µs = Tau ?
Tau = RC = R*2550.10^-9
Donc R = Tau/C = 100.10^-6/2550.10^-9 = 39 Ohms ?

Je ne pense pas que mon calcul soit juste mais on ne sait jamais (pour les resistances de grille)

[Qristoff]

pour la résistance de grille, ce n'est pas le bon calcul.
Le but de la résistance est de limiter le courant de sortie du driver lors de la transition VOL/VOH. mais il ne faut pas trop limiter sinon cela pénalisera le temps de montée ou descente du signal.
On calcul R en prenant la valeur moyenne entre Io+ et Io- (0.2A et 0.5A) soit 350mA, en prenant Vo=12V, on obtient 34 ohms (33).
ensuite, on peut vérifer l'impact sur les temps de montée et descente par rapport au typique avec la formule dT= RxCgs, où on obtient aux alentours de 85ns, ce qui correspond à la valeur typique annoncée pour Tr.

[Qristoff]

.
réponse déjà donnée ... Il est plus facile de mesurer 0,5V que 10mV (tu es dans la gamme d'offset des comparateurs !)

sans parlé du bruit de commutation ambiant !

[Qristoff]

pour la puissance des résistances de grille.
Elles ne dissipent que le courant de commutation puisque lorsque le signal est établi le courant de grille est nul.
Donc pendant 100µs (10kHz), la résistance aura vue 2 commutations Vol/Voh et Voh/Vol. En prenant un temps de commutation majorant de 150ns, le rapport entre le temps de commutation et la période est égale à 2x150ns/100µs soit 3.10-3. Le courant qui circule durant la transition est de l'ordre de 12V/33 ohms soit une puissance instantanée de 4.37W auquel on multiplie le rapport de commutation 3.10-3, ce qui donne une puissance moyenne de 13mW. Donc une résistance de 125mW conviendra trés bien.

[Montspy]

WoW ! Voilà qui répond bien a mes questions. Merci beaucoup.
Je vais refaire un beau schéma et essayer de faire un typon.

Encore merci.

[Montspy]

J'ai trouvé le moyen de créer un signal PWM avec l'Arduino à une fréquence supérieure à 490Hz, soit à 4kHz, soit à 32kHz.
4kHz c'est trop faible, 32kHz c'est plus que 20kHz mais cela risque-t-il de poser problème ?
Pas mal de systèmes de commandes de moteur utilisent cette fréquence car la commutation des composants n'est plus dans la gamme audible (ultra-son).

Donc pendant 32µs (32kHz), la résistance aura vue 2 commutations Vol/Voh et Voh/Vol. En prenant un temps de commutation majorant de 150ns, le rapport entre le temps de commutation et la période est égale à 2x150ns/32µs soit 9.10^-3. Le courant qui circule durant la transition est de l'ordre de 12V/33 ohms soit une puissance instantanée de 4.37W auquel on multiplie le rapport de commutation 9.10^-3, ce qui donne une puissance moyenne de 39mW. Donc une résistance de 125mW conviendra trés bien.

C'est bien ça ?

Connaissez vous quelqu'un (ou une entreprise) qui peut réaliser des circuits imprimés (double face) ?

A la place du radiateur, j'ai pensé mettre un ventilateur de tour de PC, cela sera-t-il aussi efficace ?

[Montspy]

Voici le schéma : ICI

Le pont diviseur de tension des comparateurs donne V- = 0,77V soit 15,5A dans le pont. Imoteur(nom) = 13.8A donc je pense changer R7 et R9 par des valeurs plus faible comme 120 Ohms pour me rapprocher des 20-22A

[Montspy]

Bon j'ai enfin fini le typon, j'ai fait au plus propre et je pense pas être trop mal
Si vous avez le temps, vous pouvez vérifier si il n'y a pas de grosse fautes s'ilvousplaît ?

Si c'est bon je commande pour 2 montages

Merci encore !

[Qristoff]

Bonjour,

A la place du radiateur, j'ai pensé mettre un ventilateur de tour de PC, cela sera-t-il aussi efficace ?

t'emballes pas trop vite, on n'a pas fini le travail....

1/Un ventilateur ne remplacera pas un radiateur... donc il faut refaire ton placement routage pour installer un ou des radiateurs. Attention à isoler les transistors des radiateurs.

2/ Pourquoi ton Arduino ne peut générer que 2 fréquences ?? c'est bien toi qui le programme, donc voir au niveau des registres de la commande PWM. Plus tu va monter en fréquence plus les mos vont dissiper, il faut donc faire un conpromis, essaie de baisser la fréquence à 20kHz.

3/ Prévoir un fusible entre la batterie et le pont

4/ le signal aux bornes de la résistance shunt doit être filtrée avec un RC pour avoir une fréquence de coupure faible devant la fréquence PWM (un RC de 3ms par exemple)

5/ les résistances du pont de comparateur doivent être plus élevées (tout en gardant le même ratio) cela ne sert à rien de tirer autant de courant sur le 5V. Les alimentations du TLC393 ne sont pas représentées. Elles doivent être découplées.

[Montspy]

t'emballes pas trop vite, on n'a pas fini le travail....

Fausse joie
Pas grave, on continue

1/ Dommage, ça aurait été plus simple !
2/ La fréquence est déterminée par la fréquence d'oscillation du quartz et les prescaler, comme les PICs quoi. Mais là les prescalers sont 1, 8, 64, 256, 1024 donc.
3/ Fusible de voiture ça va ? 25A ?
4/ Pour éviter une coupure intempestive ? Avec les condos tantales de C = 10µF en trop et une résistance R = 330 Ohms ou alors R = 33K et C = 100nF (condos de découplage en trop).
5/ Le découplage du 7805 (IC4) juste à côté ne suffit pas ? Je veux bien en rajouté un mais il ne sera guère plus proche.

PS : Pour la fréquence PWM je pense avoir trouvé quelquechose mais il faut que je trouve un oscillo pour vérifier mais ça me boufferais 2 pattes en plus (pas sur d'en avoir assez), quand vous dites que le moteur dissipera plus, cela ne va pas trop chauffer non plus car j'ai bien peur de ne pas pouvoir faire autrement

[jeff123]

Bonjour,
Ton projet m'interresse parce qu'il ressemble beaucoup au miens.
Que je n'ai pas terminé d'ailleurs tellement c'est compliqué d'allier puissance, puce, perturbations, fréquence ...
Mes derniers problèmes sont mon pic qui reset a causes des perturbations et mon moteur qui ne tourne pas au regime souhaité pourtant avec une PWM correcte mais bon tiens nous bien au courant des avancements de ton projet ça m'aidera peut etre.
En tout cas je te donne un lien que m'a donné Tropique un modo de ce forum, parce que je croyais moi aussi que c'etait tout simple une PWM et hop c'est parti mais lorsque tu veux faire tourner le moteur dans les deux sens ça se complique tres vite.
voici le lien : http://www.thsengineering.com/2009/0...motor-control/
D'ailleurs avec ce montage je crois que tu risques d'etre bloqué a un moment...
Mais je te laisse regarder le lien avant d'en dire plus.

[Antoane]

Bonjour,
pour de gros moteurs, avec une inductance élevée, 4kHz devrait suffire, non ? Les MOS s'en porterons mieux, peut-être juste une commande un peu bruyante, mais rien comparée à un moteur (quoique, c'est pas la même fréquence...)

[Qristoff]

1/ Dommage, ça aurait été plus simple !

ben oui mais on n'atteind pas du 11A sans un minimum de précautions et d'efforts !

2/ La fréquence est déterminée par la fréquence d'oscillation du quartz et les prescaler, comme les PICs quoi.

+ registre de timer que tu peux charger à la valeur qui te donne la période PWM souhaitée (comme sur les pics !)

3/ 25A mais lent ! sinon il va dégager au premier démarrage

4/ Pour éviter une coupure intempestive ?

non pour "lisser" le signal découpé du courant dans le shunt et obtenir une valeur moyenne. Prendre 33K, 100nF.

5/ Le découplage du 7805 (IC4) juste à côté ne suffit pas ? Je veux bien en rajouté un mais il ne sera guère plus proche.

peut être mais il faut au moins représenter les pins d'alim du 393 sur le schéma.

quand vous dites que le moteur dissipera plus,

c'est pas le moteur qui dissipera plus mais les mos ! les pertes par commutations seront plus importantes.

6/ rajouter des résistances de pull-down (10k) sur les entrées de commandes IN1 et IN2

7/ le comparateur doit venir couper le signal IN1 directement. Le temps de réaction de l'Arduino sera trop long. Il faut rajouter un peu de circuit logique et pourquoi pas le systéme de vérrouillage !