H-Bridge Bootstrapping

Bootstrapping je presudan aspekt koji ćete pronaći u svim H-bridge ili full bridge mrežama s N-kanalnim MOSFET-ovima.

To je postupak u kojem se terminali vrata / izvora visokofrekventnih MOSFET-ova prebacuju s naponom koji je najmanje 10V veći od njegovog odvodnog napona. Znači, ako je odvodni napon 100V, tada efektivni napon vrata / izvora mora biti 110V kako bi se omogućio puni prijenos 100V od odvoda do izvora visokofrekventnog MOSFET-a.

Bez bootstrapping objekt topologije H-mosta s identičnim MOSFET-ovima jednostavno neće raditi.

Pokušat ćemo razumjeti detalje kroz detaljno objašnjenje.

Mreža za podizanje sustava postaje potrebna samo kada su sva 4 uređaja u H-mostu identična sa svojim polaritetom. Obično su to n-kanalni MOSFET-ovi (4-p-kanal se nikada ne koristi iz očitih razloga).

Sljedeća slika prikazuje standardnu ​​konfiguraciju n-kanala H-mosta

Glavna funkcija ove MOSFET topologije je prebacivanje 'opterećenja' ili primarnog transformatora na ovom dijagramu, na način flip-flopa. Znači, stvoriti izmjeničnu push-pull struju preko povezanog namota transformatora.

Da bi se to primijenilo, dijagonalno postavljeni MOSFET-ovi se istovremeno UKLJUČUJU / ISKLJUČUJU. I to se naizmjenično ciklira za dijagonalne parove. Primjerice, parovi Q1 / Q4 i Q2 / Q3 zajedno su naizmjenično UKLJUČENI / ISKLJUČENI. Kad je Q1 / Q4 UKLJUČEN, Q2 / Q3 je ISKLJUČEN i obrnuto.

Gore navedeno djelovanje prisiljava struju da naizmjenično mijenja svoj polaritet na povezanom namotu transformatora. To zauzvrat dovodi do toga da inducirani visoki napon na sekundaru transformatora također mijenja svoj polaritet, proizvodeći predviđeni izmjenični napon ili izmjenični izlaz na sekundarnoj strani transformatora.

Što su visokofrekventni mosfetovi s niske strane

Gornji Q1 / Q2 nazivaju se visoki bočni mosfetovi, a donji Q3 / Q4 nazivaju se niski bočni mosfetovi.

Donji bočni mosfet imaju referentne izvode (stezaljke izvora) odgovarajuće povezane s linijom zemlje. Međutim MOSFET-ovi s bočne strane nemaju pristup izravno referentnoj liniji tla, već su povezani s primarnim transformatorom.

Znamo da 'izvorni' terminal MOS-a ili emiter za BJT moraju biti povezani na zajedničku liniju zemlje (ili zajedničku referentnu liniju) kako bi mu se omogućilo normalno vođenje i prebacivanje tereta.

U H mostu, jer visokofrekventni mosfetovi ne mogu izravno pristupiti zajedničkom tlu, njihovo učinkovito uključivanje s normalnim DC (Vgs) vratima postaje nemoguće.

Tu nastaje problem i mreža za pokretanje postaje ključna.

Zašto je ovo problem?

Svi znamo da BJT zahtijeva najmanje 0,6 V između baze / emitera da bi u potpunosti radio. Slično tome, mosfetu je potrebno približno 6 do 9 V preko vrata / izvora da bi u potpunosti radio.

Ovdje 'potpuno' znači optimalan prijenos odvodnog napona MOSFET-a ili napona kolektora BJT na odgovarajuće terminale izvora / emitora, kao odgovor na ulazni / bazni napon.

U H-mostu niskofrekventni mosfetovi nemaju problema sa svojim preklopnim parametrima i oni se mogu normalno i optimalno prebacivati ​​bez ikakvih posebnih sklopova.

To je zato što je izvorni pin uvijek na nuli ili potencijalu uzemljenja, što omogućuje da se vrata podignu na specificiranih 12V ili 10V iznad izvora. To udovoljava potrebnim sklopnim uvjetima mosfet-a i omogućuje mu da u potpunosti povuče odvodni teret na razinu tla.

Sada, promatrajte visoke bočne mosfete. Ako primijenimo 12V na vrata / izvor, mosfets u početku dobro reagira i počinje provoditi odvodni napon prema stezaljkama izvora. Međutim, dok se to događa, zbog prisutnosti opterećenja (primarni namot transformatora) izvorni pin počinje imati potencijal porasta.

Kad se ovaj potencijal poveća preko 6V, mosfet započinje s zaustavljanjem, jer više nema 'prostora' za provođenje, a dok potencijalni izvor dosegne 8V ili 10V, mosfet jednostavno prestane provoditi.

Shvatimo to uz pomoć sljedećeg jednostavnog primjera.

Ovdje se vidi opterećenje povezano na izvoru MOSFET-a, imitirajući Hi-side MOSFET stanje u H-mostu.

U ovom primjeru, ako izmjerite napon na motoru, ustanovit ćete da je on samo 7V, iako je 12V primijenjeno na strani odvoda.

To je zato što je 12 - 7 = 5 V najmanji minimum vrata / izvora ili V_gskoji koristi MOSFET za održavanje ON-a. Budući da je ovdje riječ o motoru od 12 V, on se i dalje okreće s napajanjem od 7 V.

Ako pretpostavimo da smo koristili motor od 50 V s napajanjem od 50 V na odvodu i 12 V na odvodu / izvoru, mogli bismo vidjeti samo 7 V na izvoru, ne proizvodeći apsolutno nikakvo kretanje na motoru od 50 V.

Međutim, ako primijenimo oko 62V preko ulaza / izvora MOSFET-a. To bi momentalno UKLJUČILO MOSFET, a napon njegovog izvora brzo bi počeo rasti dok ne dosegne maksimalnu razinu odvoda od 50 V. Ali čak i pri naponu izvora od 50 V, vrata koja su 62 V i dalje bi bila 62 - 50 = 12 V veća od izvora, omogućujući potpuno provođenje MOSFET-a i motora.

To podrazumijeva da bi terminali izvora vrata u gornjem primjeru trebali nešto oko 50 + 12 = 62V kako bi se omogućilo prebacivanje pune brzine na motoru od 50V. Budući da to omogućuje da se razina napona na vratima MOSFET-a pravilno poviši na navedenu razinu od 12V iznad izvora .

Zašto Mosfet ne gori s tako visokim Vgs

To je zato što čim napon na vratima (V_gs), primijeni se, visoki napon na odvodnoj strani odmah se UKLJUČI i naleti na izvorni terminal poništavajući višak napona vrata / izvora. Napokon, na ulazu / izvoru prikazuje se samo efektivnih 12 V ili 10 V.

Što znači, ako je 100V odvodni napon, a 110V je primijenjeno na ulaz / izvor, 100V iz odvoda juri prema izvoru, poništavajući primijenjeni potencijal vrata / izvora 100V, dopuštajući samo plus 10V da vode postupke. Stoga mosfet može raditi sigurno bez gorenja.

Što je Bootstrapping

Iz gornjih odlomaka shvatili smo zašto nam točno trebaju oko 10V veći od odvodnog napona kao Vgs za visoke bočne MOSFET-ove u H-mostu.

Mreža krugova koja provodi gornji postupak naziva se mreža za pokretanje u krugu H-mosta.

U standardnom IC upravljačkom programu H-mosta, bootstrapping se postiže dodavanjem diode i visokonaponskog kondenzatora sa vratima / izvorom visokofrekventnih mosfetova.

Kada je mosfet donje strane uključen (FET gornje strane isključen), HS klin i preklopni čvor su uzemljeni. V_ddnapajanje preko premosnog kondenzatora puni bootstrap kondenzator kroz bootstrap diodu i otpornik.

Kada je FET donje strane isključen, a gornja strana uključena, HS pin upravljačkog sklopa vrata i sklopni čvor spajaju se na visokonaponsku magistralu HV, kondenzator bootstrapa prazni dio pohranjenog napona (prikupljenog tijekom punjenja slijed) do visokofrekventnog FET-a kroz HO i HS-pinove pogonskog uređaja vrata kao što je prikazano na.

Za više informacija o tome možete se obratiti ovom članku

Provedba praktičnog kruga

Nakon što ste temeljito naučili gornji koncept, možda ćete se i dalje zbuniti u vezi s ispravnom metodom implementacije sklopa H-Bridge? Dakle, ovdje je aplikacijski sklop za sve vas, s detaljnim opisom.

Rad gornjeg dizajna aplikacije H-mosta može se razumjeti sa sljedećim točkama:

Ključni aspekt ovdje je razviti napon na 10uF tako da postane jednak 'željenom naponu opterećenja' plus napajanje 12V na vratima MOSFET-ova visoke strane, tijekom njihovih ON perioda razdoblja.

Prikazana konfiguracija izvršava ovo vrlo učinkovito.

Zamislite da je sat # 1 visok, a sat # 2 nizak (budući da bi trebali naizmjenično taktirati).

U ovoj situaciji gornji desni MOSFET postaje ISKLJUČEN, dok je donji lijevi MOSFET uključen.

Kondenzator 10uF brzo puni do + 12V kroz 1N4148 diodu i donji odvod / izvor MOSFET-a.

U sljedećem trenutku, čim sat # 1 postane nizak, a sat # 2 postane visok, punjenje preko lijevih 10uF UKLJUČUJE gornji lijevi MOSFET koji odmah započinje s provođenjem.

U ovoj situaciji njegov odvodni napon počinje juriti prema svom izvoru, a istodobno se naponi počinju gurati u kondenzator 10uF na takav način da postojeći naboj + 12V 'sjedne' preko ovog trenutnog potiskivanja napona s MOSFET terminala.

Ovaj dodatak odvodnog potencijala u kondenzator od 10 uF kroz priključak izvora osigurava da se dva potencijala zbroje i omogući trenutni potencijal preko ulaza / izvora MOSFET-a na samo + 12V iznad potencijala odvoda.

Na primjer, ako je odabrani napon odvoda 100V, tada se ovaj 100V gura u 10uF uzrokujući kontinuirano kompenzirajući potencijalni napon vrata koji se održava na +12 malo iznad 100V.

Nadam se da vam je ovo pomoglo da razumijete osnovni rad gornjeg bočnog čizma pomoću diskretne kondenzatorske diodne mreže.

Zaključak

Iz gornje rasprave razumijemo da je bootstrapping presudan za sve topologije H-mosta kako bi se omogućilo učinkovito UKLJUČIVANJE visokih bočnih MOSFET-ova.

U ovom se postupku prikladno odabrani kondenzator preko vrata / emitora visokofrekvencijskog mosfet-a puni na 12V više od primijenjene razine napona odvoda. Tek kada se to dogodi, visokofrekventni mosfetovi se mogu uključiti i dovršiti namjeravano potisno prebacivanje povezanog tereta.