H-Bridge Bootstrapping

Bootstrapping-ul este un aspect crucial pe care îl veți găsi în toate rețelele H-bridge sau full bridge cu mosfete cu canal N.

Este un proces în care terminalele poartă / sursă ale mosfetelor laterale înalte sunt comutate cu o tensiune care este cu cel puțin 10V mai mare decât tensiunea sa de scurgere. Adică, dacă tensiunea de scurgere este de 100V, atunci tensiunea efectivă a porții / sursei trebuie să fie de 110V pentru a permite transferul complet al 100V de la scurgere la sursa mosfetului lateral înalt.

Fără bootstrapping instalați o topologie H-bridge cu mosfete identice pur și simplu nu va funcționa.

Vom încerca să înțelegem detaliile printr-o explicație pas cu pas.

O rețea de bootstrapping devine necesară numai atunci când toate cele 4 dispozitive din podul H sunt identice cu polaritatea lor. În mod obișnuit, acestea sunt mosfete cu canal n (4 canale p nu sunt utilizate niciodată din motive evidente).

Următoarea imagine prezintă o configurație standard a canalului n-H

Funcția principală a acestei topologii mosfet este de a comuta „sarcina” sau transformatorul primar în această diagramă, într-un mod de basculă. Adică, pentru a crea un curent alternativ push-pull pe înfășurarea transformatorului conectat.

Pentru a implementa acest lucru, mosfeturile aranjate diagonal sunt pornite / oprite simultan. Și acest lucru este alternat pentru perechile diagonale. De exemplu, perechile Q1 / Q4 și Q2 / Q3 sunt pornite / oprite împreună, alternativ. Când Q1 / Q4 este PORNIT, Q2 / Q3 este OPRIT și invers.

Acțiunea de mai sus forțează curentul să-și schimbe alternativ polaritatea prin înfășurarea transformatorului conectat. Acest lucru, la rândul său, determină tensiunea ridicată indusă peste secundarul transformatorului să-și schimbe polaritatea, producând ieșirea alternativă intenționată sau alternativă pe partea secundară a transformatorului.

Ce sunt Mosfeturile High-Side Low-Side

Q1 / Q2 superioare sunt numite mosfete laterale înalte, iar Q3 / Q4 inferioare sunt numite mosfete laterale înalte.

Mosfet-ul lateral inferior are cablurile de referință (terminalele sursă) conectate corespunzător cu linia de masă. Cu toate acestea, mosfet-ul lateral înalt nu are acces direct la linia de masă de referință, ci este conectat la transformatorul primar.

Știm că terminalul „sursă” al unui MOSFET sau al emițătorului pentru un BJT trebuie să fie conectat la linia de masă comună (sau linia de referință comună) pentru a-i permite să conducă și să comute o sarcină în mod normal.

Într-un pod H, deoarece mosfetele laterale înalte nu pot accesa direct terenul comun, pornirea lor eficientă cu o poartă normală DC (Vgs) devine imposibilă.

Aici apare problema și o rețea de bootstrapping devine crucială.

De ce este o problemă?

Știm cu toții că un BJT necesită un minim 0,6 V între baza / emițătorul său pentru a conduce complet. În mod similar, un mosfet necesită în jur de 6 până la 9V pe poartă / sursă pentru a conduce complet.

Aici, „pe deplin” înseamnă transferul optim al tensiunii de scurgere a mosfetului sau a tensiunii colectorului BJT la bornele sursei / emițătorului respectiv, ca răspuns la intrarea de tensiune a porții / bazei.

Într-un pod H, mosfetele laterale joase nu au probleme cu parametrii lor de comutare și aceștia pot fi comutați normal și optim fără circuite speciale.

Acest lucru se datorează faptului că pinul sursă este întotdeauna la zero sau la potențial la sol, permițând ridicarea porții la 12V sau 10V specificat deasupra sursei. Acest lucru îndeplinește condițiile de comutare necesare pentru mosfet și îi permite să tragă complet sarcina de scurgere la nivelul solului.

Acum, observați mosfetele laterale înalte. Dacă aplicăm 12V peste poarta / sursa sa, mosfetele inițial răspund bine și începe să conducă tensiunea de scurgere către bornele sursei. Cu toate acestea, în timp ce se întâmplă acest lucru, datorită prezenței sarcinii (înfășurarea primară a transformatorului) știftul sursă începe să experimenteze un potențial în creștere.

Când acest potențial crește peste 6V, mosfetul începe să se blocheze, deoarece nu mai are „spațiu” de condus și, până când potențialul sursă ajunge la 8V sau 10V, mosfetul încetează să mai conducă.

Să înțelegem acest lucru cu ajutorul următorului exemplu simplu.

Aici încărcătura poate fi văzută conectată la sursa mosfetului, imitând o condiție de mosfet Hi-side într-un pod H.

În acest exemplu, dacă măsurați tensiunea pe motor, veți găsi că este doar 7V, deși 12V se aplică pe partea de scurgere.

Acest lucru se datorează faptului că 12 - 7 = 5V este poarta / sursa minimă sau V_gscare este folosit de MOSFET pentru a menține conducerea ACTIVATĂ. Deoarece motorul este un motor de 12V, acesta se rotește în continuare cu alimentarea de 7V.

Dacă presupunem că am folosit un motor de 50V cu alimentare de 50V pe canal și 12V pe poartă / sursă, este posibil să vedem doar 7V pe sursă, producând absolut nici o mișcare pe motorul de 50V.

Cu toate acestea, dacă aplicăm în jur de 62V peste poarta / sursa mosfetului. Acest lucru ar porni instantaneu MOSFET-ul, iar tensiunea sursei sale ar începe rapid să crească până ajunge la nivelul maxim de scurgere de 50V. Dar chiar și la tensiunea sursei de 50V, poarta fiind de 62V ar fi încă cu 62 - 50 = 12V mai mare decât sursa, permițând o conducere completă a mosfetului și a motorului.

Acest lucru implică, terminalele sursei de poartă din exemplul de mai sus ar necesita ceva în jur de 50 + 12 = 62V pentru a activa o comutare de viteză maximă pe motorul de 50V. Deoarece acest lucru permite ca nivelul de tensiune a porții mosfetului să fie ridicat corespunzător la nivelul specificat de 12V deasupra sursei .

De ce Mosfet nu arde cu Vg-uri atât de mari

Acest lucru se datorează faptului că de îndată ce tensiunea porții (V_gs) se aplică, tensiunea înaltă de scurgere este pornită instantaneu și se repede la terminalul sursă anulând excesul de poartă / tensiune sursă. În cele din urmă, numai poarta efectivă de 12V sau 10V este redată la poartă / sursă.

Adică, dacă 100V este tensiunea de scurgere și se aplică 110V pe poartă / sursă, 100V din scurgere se grăbește la sursă, anulând potențialul de poartă / sursă aplicat 100V, permițând doar plusul de 10V să opereze procedurile. Prin urmare, MOSFET este capabil să funcționeze în siguranță, fără a arde.

Ce este Bootstrapping

Din paragrafele de mai sus am înțeles de ce anume avem nevoie cu aproximativ 10V mai mare decât tensiunea de scurgere ca Vgs pentru mosfetele laterale înalte dintr-un pod H.

Rețeaua de circuite care realizează procedura de mai sus se numește rețea de bootstrapping într-un circuit H-bridge.

În driverul IC standard al podului H, bootstrapping-ul se realizează prin adăugarea unei diode și a unui condensator de înaltă tensiune cu poarta / sursa mosfetelor laterale înalte.

Când MOSFET-ul din partea de jos este pornit (FET-ul din partea de sus este dezactivat), pinul HS și nodul comutatorului sunt împământate. V-ul_ddalimentarea, prin condensatorul de bypass, încarcă condensatorul bootstrap prin dioda și rezistorul bootstrap.

Când FET-ul de pe partea de jos este oprit și partea de sus este pornită, pinul HS al driverului de poartă și nodul comutatorului sunt conectate la magistrala de înaltă tensiune HV, condensatorul bootstrap descarcă o parte din tensiunea stocată (colectată în timpul încărcării secvență) la partea superioară FET prin pinii HO și HS ai driverului de poartă, așa cum se arată în.

Pentru mai multe informații despre acest lucru, puteți consulta la acest articol

Implementarea unui circuit practic

După ce ați învățat temeinic conceptul de mai sus, s-ar putea să fiți încă confuz cu privire la metoda corectă de implementare a unui circuit H-Bridge? Iată deci un circuit de aplicații pentru voi toți, cu o descriere elaborată.

Funcționarea proiectului aplicației H-bridge de mai sus poate fi înțeleasă cu următoarele puncte:

Aspectul crucial aici este de a dezvolta o tensiune pe 10 uF astfel încât să devină egală cu „tensiunea de sarcină dorită” plus alimentarea cu 12V la porțile MOSFET-urilor din partea înaltă, în timpul perioadelor lor de pornire.

Configurația afișată execută acest lucru foarte eficient.

Imaginați-vă ceasul nr. 1 este ridicat, iar ceasul nr. 2 este scăzut (deoarece acestea ar trebui să fie cu ceas alternativ).

În această situație, mosfetul din dreapta sus devine OFF, în timp ce mosfetul din stânga jos este pornit.

Condensatorul de 10uF se încarcă rapid până la + 12V prin dioda 1N4148 și drenajul / sursa de mosfet inferior.

În următoarea clipă, de îndată ce ceasul # 1 devine scăzut și ceasul # 2 devine ridicat, încărcarea din partea stângă 10uF pornește MOSFET-ul din stânga sus, care începe imediat să conducă.

În această situație, tensiunea de scurgere începe să se grăbească spre sursa sa și, simultan, tensiunile încep să se împingă în condensatorul de 10uF în așa fel încât încărcătura existentă + 12V să se așeze peste aceste tensiuni de împingere instantanee de la terminalul MOSFET.

Această adăugare a potențialului de scurgere în condensatorul de 10 uF prin terminalul sursă asigură faptul că cele două potențiale se adună și permit potențialul instantaneu de la poarta / sursa MOSFET-ului să fie la aproximativ + 12V deasupra potențialului de scurgere.

De exemplu, dacă tensiunea de scurgere este selectată pentru a fi 100V, atunci acest 100V împinge în 10uF provocând o tensiune potențială de compensare continuă a porții care se menține la +12 chiar deasupra 100V.

Sper că acest lucru v-a ajutat să înțelegeți funcționarea de bază a bootstrappingului lateral înalt folosind o rețea de diode condensatoare discrete.

Concluzie

Din discuția de mai sus, înțelegem că bootstrapping-ul este crucial pentru toate topologiile H-bridge, pentru a permite pornirea eficientă a mosfetelor laterale înalte.

În acest proces, un condensator selectat în mod corespunzător pe poarta / emițătorul mosfetului lateral înalt este încărcat cu 12V mai mare decât nivelul de tensiune de scurgere aplicat. Numai atunci când acest lucru se întâmplă, mosfetele laterale înalte sunt capabile să pornească și să finalizeze comutarea de tip push pull a sarcinii conectate.