Bootstrapping na H-Bridge

Bootstrapping je zásadný aspekt, ktorý nájdete vo všetkých sieťach H-Bridge alebo Full Bridge s mosfetmi s N-kanálom.

Jedná sa o proces, pri ktorom sú hradlové / zdrojové terminály vysokofrekvenčných mosfetov prepínané s napätím, ktoré je minimálne o 10 V vyššie ako jeho odtokové napätie. To znamená, že ak je odtokové napätie 100 V, potom efektívne hradlové / zdrojové napätie musí byť 110 V, aby sa umožnil úplný prenos 100 V z odtoku k zdroju vysokofrekvenčného mosfetu.

Bez bootstrapping zariadenie topológia H-mosta s identickými mosfetmi jednoducho nebude fungovať.

Pokúsime sa pochopiť podrobnosti podrobným vysvetlením.

Sieť bootstrapping je nevyhnutná, iba ak sú všetky 4 zariadenia v H-moste identické s ich polaritou. Obyčajne sa jedná o n-kanálové mosfety (4-kanál sa zo zrejmých dôvodov nikdy nepoužíva).

Nasledujúci obrázok zobrazuje štandardnú konfiguráciu n-kanálového H-mosta

Hlavnou funkciou tejto topológie mosfetu je prepínanie „záťaže“ alebo primárneho transformátora v tomto diagrame klopným obvodom. To znamená vytvoriť striedavý push-pull prúd cez pripojené vinutie transformátora.

Za týmto účelom sa diagonálne usporiadané mosfety zapínajú a vypínajú súčasne. A toto sa cykluje striedavo pre dvojice uhlopriečok. Napríklad páry Q1 / Q4 a Q2 / Q3 sú striedavo zapnuté / vypnuté. Keď je Q1 / Q4 ZAPNUTÉ, Q2 / Q3 je VYPNUTÉ a naopak.

Vyššie uvedená činnosť núti prúd striedavo meniť svoju polaritu cez pripojené vinutie transformátora. To zase spôsobí, že indukované vysoké napätie na sekundárnom transformátore tiež zmení svoju polaritu a vytvorí zamýšľaný striedavý alebo striedavý výstup na sekundárnej strane transformátora.

Čo sú to vysokofrekvenčné mosfety

Horná časť Q1 / Q2 sa nazýva horná strana mosfetu a dolná časť Q3 / Q4 sa nazýva dolná strana.

Nízkofrekvenčný mosfet má svoje referenčné vodiče (zdrojové svorky) vhodne spojené so zemnou linkou. Vysokofrekvenčné mosfety však nemajú priamy prístup k referenčnej zemnej linke, namiesto toho sú pripojené k primárnemu transformátoru.

Vieme, že „zdrojový“ terminál mosfetu alebo vysielač pre BJT musí byť pripojený k spoločnému uzemňovaciemu vedeniu (alebo k spoločnému referenčnému vedeniu), aby mohol normálne viesť a prepínať záťaž.

V H-moste, pretože horné bočné mosfety nie sú schopné dostať sa priamo na spoločnú zem, je nemožné ich efektívnym zapnutím pomocou normálneho hradla DC (Vgs).

Tu nastáva problém a sieť bootstrappingov sa stáva kľúčovou.

Prečo je to problém?

Všetci vieme, že BJT vyžaduje minimálne 0,6 V medzi základňou / vysielačom, aby mohol plne fungovať. Podobne mosfet vyžaduje na svoju plnú prevádzku okolo 6 až 9 V cez svoju bránu / zdroj.

„Plne“ tu znamená optimálny prenos odtokového napätia mosfetu alebo napätia kolektora BJT na príslušné svorky zdroja / vysielača v reakcii na vstupné napätie hradlo / základňa.

V H-moste nemajú nízkoformátové mosfety problémy so svojimi spínacími parametrami a dajú sa spínať normálne a optimálne bez akýchkoľvek špeciálnych obvodov.

Je to tak preto, lebo kolík zdroja je vždy na nulovom alebo zemnom potenciáli, čo umožňuje, aby bola brána zvýšená pri špecifikovaných 12V alebo 10V nad zdrojom. To spĺňa požadované spínacie podmienky mosfetu a umožňuje mu úplné vytiahnutie odtokového zaťaženia na úroveň zeme.

Teraz sledujte vysoké bočné mosfety. Ak použijeme 12V cez jeho bránu / zdroj, mosfety spočiatku dobre reagujú a začnú viesť odtokové napätie smerom k svorkám zdroja. Aj keď k tomu dôjde, v dôsledku prítomnosti záťaže (primárne vinutie transformátora) začne zdrojový kolík narastať potenciál.

Keď tento potenciál stúpne nad 6 V, mosfet sa začne pozastavovať, pretože už nemá žiadny „priestor“ na vedenie a v čase, keď potenciálny zdroj dosiahne 8V alebo 10V, prestane mosfet viesť.

Poďme to pochopiť pomocou nasledujúceho jednoduchého príkladu.

Tu je možné vidieť záťaž pripojenú k zdroju mosfetu, napodobňujúcu stav Hi-side mosfetu v H-moste.

V tomto príklade, ak zmeriate napätie na motore, zistíte, že je iba 7V, hoci na strane odtoku je 12V.

Je to preto, že 12 - 7 = 5 V je holé minimum brány / zdroja alebo V_gsto využíva mosfet na udržanie vedenia ON. Pretože tu je motor 12 V, stále sa točí s napájaním 7 V.

Ak predpokladáme, že sme použili 50V motor s 50V napájaním na odtoku a 12V na bráne / zdroji, môžeme vidieť iba 7V na zdroji, ktorý na motore 50V neprodukuje absolútne žiadny pohyb.

Ak však použijeme okolo 62V cez bránu / zdroj mosfetu. To by okamžite zaplo mosfet a jeho zdrojové napätie by rýchlo začalo stúpať, kým nedosiahne maximálnu úroveň odtoku 50 V. Ale aj pri zdrojovom napätí 50 V by brána s napätím 62 V bola stále o 62 - 50 = 12V vyššia ako zdroj, čo by umožnilo úplné vedenie mosfetu a motora.

To znamená, že svorky zdroja brány vo vyššie uvedenom príklade by vyžadovali niečo okolo 50 + 12 = 62V, aby bolo možné na 50V motore prepnúť na plnú rýchlosť. Pretože to umožňuje správne zvýšenie hradlového napätia mosfetu na špecifikovanej úrovni 12V nad zdrojom .

Prečo Mosfet nehorí s takými vysokými Vgs

Je to preto, že akonáhle hradlové napätie (V_gs), okamžite sa zapne vysoké napätie na odtokovej strane a rúti sa na zdrojovú svorku, čím zruší nadmerné hradlové / zdrojové napätie. Nakoniec sa na bráne / zdroji vykreslí iba účinných 12 V alebo 10 V.

To znamená, že ak je odtokové napätie 100 V a na bránu / zdroj je privádzaných 110 V, 100 V z odtoku sa rúti k zdroju a anuluje aplikovaný potenciál brány / zdroja na 100 V, čo umožňuje vykonávanie postupov iba plus 10 V. Preto je mosfet schopný bezpečne fungovať bez horenia.

Čo je to bootstrapping

Z vyššie uvedených odsekov sme pochopili, prečo presne potrebujeme okolo 10 V vyššie ako odtokové napätie ako Vgs pre vysokofrekvenčné mosfety v H-moste.

Sieť obvodov, ktorá vykonáva vyššie uvedený postup, sa nazýva sieť bootstrappingu v obvode H-mosta.

V štandardnom ovládači IC H-bridge je bootstrapping dosiahnutý pridaním diódy a vysokonapäťového kondenzátora s hradlom / zdrojom vysokofrekvenčných mosfetov.

Keď je mosfet na nízkej strane zapnutý (FET na vysokej strane je vypnutý), kolík HS a uzol spínača sú uzemnené. V_ddnapájanie cez obtokový kondenzátor nabíja kondenzátor bootstrapu cez diódu bootstrap a odpor.

Keď je FET na nízkej strane vypnutý a vysoká strana je zapnutá, pin HS ovládača brány a uzol spínača sa pripoja k vysokonapäťovej zbernici HV, kondenzátor bootstrapu vybije časť uloženého napätia (zhromaždeného počas nabíjania sekvencia) na horný FET cez kolíky HO a HS ovládača brány, ako je to znázornené na obrázku.

Viac informácií nájdete na tejto adrese k tomuto článku

Implementácia praktického okruhu

Po dôkladnom oboznámení sa s vyššie uvedeným konceptom môžete byť stále zmätení, pokiaľ ide o správny spôsob implementácie obvodu H-Bridge? Takže tu je okruh aplikácií pre všetkých z vás s podrobným popisom.

Fungovanie vyššie uvedeného návrhu aplikácie H-mosta je možné pochopiť nasledujúcimi bodmi:

Zásadným aspektom je vyvinúť napätie naprieč 10uF tak, aby sa počas doby ich zapnutia rovnalo „požadovanému napätiu záťaže“ plus napájaniu 12 V pri bránach vysokých MOSFETov.

Zobrazená konfigurácia to vykonáva veľmi efektívne.

Predstavte si, že hodiny č. 1 sú vysoké a hodiny č. 2 nízke (pretože majú byť striedavo taktované).

V tejto situácii sa pravý horný mosfet vypne, zatiaľ čo dolný ľavý mosfet je zapnutý.

Kondenzátor 10uF sa rýchlo nabíja až na + 12V cez diódu 1N4148 a spodný odtok / zdroj mosfetu.

V nasledujúcom okamihu, akonáhle hodiny # 1 klesnú a hodiny # 2 sa stanú vysokými, náboj cez ľavý 10uF zapne ľavý horný MOSFET, ktorý okamžite začne dirigovať.

V tejto situácii sa jeho odtokové napätie začne rútiť smerom k jeho zdroju a súčasne sa napätie začne tlačiť do 10uF kondenzátora takým spôsobom, že existujúci náboj + 12V „sedí“ nad týmto okamžite tlačiacim napätím z terminálu MOSFET.

Toto pridanie odtokového potenciálu do kondenzátora 10 uF cez zdrojovú svorku zaisťuje, že sa tieto dva potenciály sčítajú a umožňujú okamžitý potenciál cez bránu / zdroj MOSFET iba okolo +12 V nad odtokovým potenciálom.

Napríklad, ak je odtokové napätie zvolené na 100 V, potom týchto 100 V zatlačí na 10 uF a spôsobí nepretržite kompenzujúce potenciálne hradlové napätie, ktoré sa udržuje na +12 tesne nad 100 V.

Dúfam, že vám to pomohlo pochopiť základné fungovanie bootstrappingu na vysokej strane pomocou siete diskrétnych kondenzátorových diód.

Záver

Z vyššie uvedenej diskusie chápeme, že bootstrapping je rozhodujúci pre všetky topológie H-mostu, aby bolo možné efektívne zapnúť vysokofrekvenčné mosfety.

V tomto procese je vhodne zvolený kondenzátor cez bránu / vysielač MOSFET na vysokej strane nabitý na 12V vyššiu ako je použitá úroveň odtokového napätia. Iba vtedy, keď sa to stane, sú vysokofrekvenčné mosfety schopné zapnúť a dokončiť zamýšľané prepínanie pripojenej záťaže push-pull.