Por que meus MOSFETs de canal P continuam morrendo nesta ponte H?

Portanto, esta é minha ponte H: Toda vez que começo a usá-la em uma direção, o MOSFET do canal P e o NPN BJT, que pertencem à direção usada, morrem em segundos. O MOSFET morto e o BJT desenvolvendo um curto-circuito para que eu não possa mais usar a outra direção. Eles morrem sem calor ou fumaça perceptíveis!
O controlador é um arduino uno e apenas os MOSFETs de canal N são acionados com sinal PWM, os canais P são conectados a pinos de saída digital simples. A frequência PWM é o padrão 490Hz para os pinos digitais 9 e 10(cada saída PWM é individual). Eu já matei 4-5 pares de MOSFET + BJT de canal P, isso poderia acontecer nos dois lados. (Depende da direção que eu uso primeiro.) O motor é um motor DC de limpador de para-brisa de carro de 12V, a fonte de alimentação é 12V 5A. Os aterramentos de fonte de alimentação de 12V e 5V estão conectados.

Há duas coisas que podem ser verdadeiras, mas não tenho 100% de certeza, pois não a testei completamente:

• na versão anterior, eu estava usando resistores de 1k para R7 e R8 e não tive problemas. Vou tentar novamente, mas agora estou com pouco MOSFETs de canal P ..
• quando recorto o par MOSFET + BJT frito, posso usar a outra direção sem matar o par MOSFET + BJT restante.

Por favor me ajude, o que está acontecendo aqui :)

• Devo usar um resistor entre o NPN BJT e o MOSFET do canal P?
• Devo usar um MOSFET 2n7000 em vez do 2N2222 BJT?

ATUALIZAÇÃO: Acabei de testar a ponte H com uma lâmpada de 12V 55W em vez do motor do limpador. O P-FET e o NPN foram mortos durante o teste. O lado do canal N foi acionado com um sinal PWM de 40%. Sem carga, não havia nenhum problema.

UPDATE2: Eu mudei de volta R7 e R8 para 1k de 150R. Agora a ponte está funcionando novamente sem nenhum componente falhando. (Não funcionava por dias, mas com os resistores 150R a reprodução da falha levou apenas alguns segundos.) Adicionarei alguns capacitores de desacoplamento na ponte entre o GND e + 12V, como Brian sugeriu. Obrigado pelas respostas a todos!

Como você está dissociando a fonte de 12V?

Um possível modo de falha é que os picos indutivos ao desligar a corrente do motor (ou seja, na taxa PWM) são despejados na fonte de 12V através dos diodos de retorno. Sim, isso deveria acontecer, mas ...

Se a fonte de 12V não for dissociada e for proveniente de uma PSU, não de uma bateria recarregável ou for fornecida por um cabo longo (indutivo), na verdade não é uma fonte de 12V, mas momentaneamente direcionada para a tensão indutiva do pico. O que poderia estar bem acima das classificações do MOSFET ...

Monitore a fonte de 12V com um osciloscópio rápido. Se mostrar sinais de picos de sobretensão, aumente o desacoplamento até que não aconteça. (Isso deve incluir capacitores de cerâmica de 0,1uF para baixa impedância de alta frequência, bem como um capacitor de reservatório eletrolítico. E, possivelmente, um diodo zener de 16V ou 25V, apenas no caso ...).

Não sei se esse é o seu problema real, mas é uma base que você DEVE cobrir.

O R1 R2 é muito grande para todos, exceto os menores mosfets inexistentes. Isso significa que eles estão girando muito mais lentamente do que estão ativados. Isso significa que, mesmo que você ache que incluiu algum tempo sensível, ainda será capaz de disparar e comer fets.Eu uso um transistor extra para fazer um desligamento rápido, vale a pena.

Um dos MOSFETs do canal P superior está ativo - isso determina a direção. Quando você aplica PWM a ambos os MOSFETs do canal N (como está implícito no seu circuito), você obtém disparos em uma metade da ponte H.

Você NÃO deve aplicar o PWM aos dispositivos de ambos os canais N - apenas aplique na parte inferior direita quando o dispositivo do canal P superior esquerdo estiver ativado OU somente na parte inferior esquerda quando o dispositivo do canal P superior direito estiver ativado.

EDIT - também, os MOSFETs do seu canal P estão de cabeça para baixo.

Uma coisa que me destaca é a falta de diodos de retorno em seus FETs. Como o seu motor é uma carga indutiva, ele pode facilmente gerar altas tensões nos FETs quando houver uma alteração na corrente (V = L dI / dT em um indutor). Essas tensões podem facilmente exceder a classificação de quebra da junção fonte-dreno em seus FETs.

Para resolver isso, um diodo é normalmente colocado em paralelo com a junção para manter a tensão sob controle da seguinte maneira:

(Imagem de: http://www.modularcircuits.com/blog/articles/h-bridge-secrets/mosfets-and-catch-diodes/ )

Isso "prende" a tensão no FET.

A @Autistic está certa sobre R1 e R2 - esse arranjo levará a tempos de troca muito lentos nos fets P. Você pode considerar o uso de uma bomba de carga de driver P Fet dedicada, em vez do BJT + Pullup.

Algumas verificações de sanidade

Você pode verificar os sinais de direção? É muito importante que o FET esteja ativado ou desativado.

forward: 
p1 on    p2 off 
n1 off   n2 on

backwards: 
p1 off    p2 on 
n1 on     n2 off

brake: 
p1 off    p2 off
n1 on     n2 on

Tente o seguinte:

• interrompa qualquer PWM
• desconecte qualquer carga
• dirija a partir do seu código como: p1 ligado n1 desligado, aguarde 500ms, p1 desligado n1 desligado 100ms (tempo morto), p1 desligado n1 ligado 500ms, p1 desligado n1 desligado 100 ms (tempo morto) e repita. Isso produz um sinal de teste que é fácil de depurar.
• agora a saída p1 n1 da ponte h deve mudar de GND para 12V. Use um escopo para testá-lo, ou você também pode usar uma pequena lâmpada. Conecte a lâmpada entre GND e a saída p1 n1 - ela piscará para que p1 seja boa. Conecte-o às saídas de 12V e p1 n1 - ele piscará para que n1 seja bom.
• se você tiver um escopo, verifique se p1 e n1 não são condutores cruzados. Ao verificar este sinal, você não verá nenhum outro valor além de GND limpo, 12V limpo e algum GND flutuante no tempo morto de 100 ms.
• se você não tem escopo, pode definir um tempo morto bastante grande, por exemplo, 500ms - não pode doer :), mas pode salvar seu P fet.
• agora conecte seu motor em vez da lâmpada, ela deve funcionar e diminuir / parar como a lâmpada. Isso verifica se os animais estão bem.

O problema

• Seja muito cauteloso com o arranjo PWM acima. Você pode facilmente fritar seus animais. Você pode ligar o lado P enquanto alterna o lado N, portanto, produz shorts (menores ou maiores) - ele pode sobreviver com 20% de PWM, dependendo da qualidade da sua fonte de energia).

Normalmente, os microcontroladores possuem um driver PWM de 4 saídas dedicado com controle de banda morta. Os 4 sinais PWM podem acionar os 4 fets, e esses sinais são sincronizados e invertidos, mais o tempo morto é levado em consideração. Consulte o PWM dos microcontroladores PIC para obter mais informações. http://www.ermicro.com/blog/wp-content/uploads/2009/01/picpwm_03.jpg

Como o Arduino não foi construído para esse fim, convém usar alguma lógica básica para produzir os sinais PWM corretos. O objetivo é garantir que n1 e p1 sejam sempre conduzidos complementares, bem como n2 e p2. Você pode obtê-lo usando mais BJTs: http://letsmakerobots.com/files/YG_H-Bridge1.jpg Em seguida, você tem os dois pinos que podem ser acionados pelo PWM.

Você pode usar algumas portas lógicas, como esta: https://e2e.ti.com/blogs_/b/motordrivecontrol/archive/2012/03/26/so-which-pwm-technique-is-best-part-2 e então você tem um avanço / retrocesso limpo, mais um pino PWM que aumenta a velocidade.

Vale a pena conferir este artigo: http://www.modularcircuits.com/blog/articles/h-bridge-secrets/h-bridge_drivers/

Tem certeza de que está alternando no P-FET superior esquerdo quando aplica o PWM no N-FET inferior direito?

Você deve verificar sua orientação P-FET. Parece que o P-FET está ao contrário e você está recebendo uma dissipação excessiva de energia quando o diodo corporal do P-FET é conduzido. Meça a tensão no P-FET sob as condições de falha. Se você vir cerca de 0,6 V no FET quando o 2N2222 estiver ligado, o P-FET será revertido. Verifique também a tensão da porta P-FET durante a condição de falha para garantir que esteja vendo menos de 0,2 V.

Você ainda vê a corrente de falha se remover o motor do circuito?