Zaváděcí bootování H-Bridge

Bootstrapping je zásadní aspekt, který najdete ve všech sítích H-Bridge nebo Full Bridge s mosfety s N-kanály.

Jedná se o proces, při kterém jsou svorky brány / zdroje vysokofrekvenčních mosfetů přepínány s napětím, které je nejméně o 10 V vyšší než jeho odtokové napětí. To znamená, že pokud je odtokové napětí 100 V, pak efektivní hradlové / zdrojové napětí musí být 110 V, aby bylo možné plně přenést 100 V z odtoku ke zdroji vysokofrekvenčního mosfetu.

Bez bootstrapping zařízení topologie H-mostu se stejnými mosfety jednoduše nebude fungovat.

Pokusíme se porozumět podrobnostem podrobným vysvětlením.

Síť bootstrapping je nezbytná pouze tehdy, když jsou všechna 4 zařízení v H-můstku identická s jejich polaritou. Obvykle se jedná o n-kanálové mosfety (4 p-kanál se ze zřejmých důvodů nikdy nepoužívá).

Následující obrázek ukazuje standardní konfiguraci n-kanálového H-můstku

Hlavní funkcí této topologie MOSFET je přepínání „zátěže“ nebo primárního transformátoru v tomto diagramu klopným obvodem. To znamená vytvořit střídavý push-pull proud přes připojené vinutí transformátoru.

Za tímto účelem jsou úhlopříčně uspořádané mosfety zapnuty / vypnuty současně. A to se střídavě cykluje pro úhlopříčné páry. Například páry Q1 / Q4 a Q2 / Q3 jsou střídavě zapnuty / vypnuty. Když je Q1 / Q4 ZAPNUTO, Q2 / Q3 je VYPNUTO a naopak.

Výše uvedená akce nutí proud střídavě měnit jeho polaritu napříč připojeným vinutím transformátoru. To zase způsobí, že indukované vysoké napětí na sekundárním transformátoru také změní jeho polaritu a vytvoří zamýšlený střídavý nebo střídavý výstup na sekundární straně transformátoru.

Co jsou Mosfety na vysoké a nízké straně

Horní Q1 / Q2 se nazývají vysoké boxy a spodní Q3 / Q4 se nazývají nízké boxy.

Nízkofrekvenční MOSFET má své referenční vodiče (zdrojové svorky) vhodně připojené k uzemňovacímu vedení. Vysokofrekvenční MOSFET však nemá přímý přístup k referenčnímu zemnímu vedení, místo toho je připojen k primárnímu transformátoru.

Víme, že „zdrojová“ svorka mosfetu nebo emitor pro BJT musí být připojeny ke společné zemnící lince (nebo ke společné referenční lince), aby mohla normálně vést a spínat zátěž.

V H-můstku, protože vysokofrekvenční mosfety nejsou schopny přímo přistupovat na společnou zem, je nemožné je účinně zapnout pomocí normální brány DC (Vgs).

Zde nastává problém a síť bootstrappingů se stává zásadní.

Proč je to problém?

Všichni víme, že BJT vyžaduje minimální 0,6V mezi základnou / emitorem, aby mohl plně fungovat. Podobně mosfet vyžaduje přibližně 6 až 9 V přes svoji bránu / zdroj, aby mohl plně fungovat.

Zde „plně“ znamená optimální přenos odtokového napětí MOSFET nebo napětí kolektoru BJT na jejich příslušné svorky zdroj / emitor v reakci na vstup napětí brány / základny.

V H-můstku nemají nízké mosfety problémy se svými spínacími parametry a lze je spínat normálně a optimálně bez zvláštních obvodů.

Je to proto, že zdrojový kolík je vždy na nulovém nebo zemním potenciálu, což umožňuje, aby byla brána zvýšena na specifikovaných 12V nebo 10V nad zdrojem. To splňuje požadované podmínky spínání mosfetu a umožňuje mu plně vytáhnout odtokovou zátěž na úroveň země.

Nyní pozorujte vysoké boční mosfety. Pokud použijeme 12V přes jeho bránu / zdroj, mosfety zpočátku dobře reagují a začnou vést odtokové napětí směrem ke svorkám zdroje. I když k tomu dojde, začne zdrojový kolík kvůli přítomnosti zátěže (primární vinutí transformátoru) zažívat rostoucí potenciál.

Když tento potenciál stoupne nad 6 V, mosfet se začne zastavovat, protože už nemá žádný „prostor“ k vedení a v době, kdy zdrojový potenciál dosáhne 8 V nebo 10 V, přestane mosfet fungovat.

Pochopme to pomocí následujícího jednoduchého příkladu.

Zde lze vidět zátěž připojenou ke zdroji MOSFET, napodobující stav Hi-side MOSFET v H-můstku.

V tomto příkladu, pokud změříte napětí na motoru, zjistíte, že je pouze 7V, ačkoli na straně odtoku je použito 12V.

Důvodem je, že 12 - 7 = 5 V je holá minimální brána / zdroj nebo V_gsto využívá mosfet k udržení vedení ON. Jelikož je zde motor 12 V, stále se otáčí s napájením 7 V.

Pokud předpokládáme, že jsme použili 50V motor s 50V napájením na odtoku a 12V na bráně / zdroji, můžeme vidět pouze 7V na zdroji, což na motoru 50V neprodukuje vůbec žádný pohyb.

Pokud však použijeme přibližně 62 V přes bránu / zdroj mosfetu. Okamžitě by se tím MOSFET zapnul a jeho zdrojové napětí by rychle začalo stoupat, dokud nedosáhne maximální úrovně odběru 50V. Ale i při 50 V zdrojovém napětí by brána s 62 V byla stále o 62 - 50 = 12V vyšší než zdroj, což by umožnilo plné vedení MOSFETu a motoru.

To znamená, že svorky zdroje brány ve výše uvedeném příkladu by vyžadovaly něco kolem 50 + 12 = 62V, aby bylo možné na 50V motoru přepnout na plnou rychlost. Protože to umožňuje správné zvýšení hradlového napětí mosfetu na specifikovanou úroveň 12V nad zdrojem .

Proč Mosfet nehoří s tak vysokými Vgs

Je to proto, že jakmile napětí brány (V_gs), je okamžitě zapnuto vysoké napětí na odtokové straně a spěchá na zdrojovou svorku a ruší nadměrné hradlové / zdrojové napětí. Nakonec se u brány / zdroje vykreslí pouze efektivní napětí 12V nebo 10V.

To znamená, že pokud je 100 V napětí na odtoku a na bránu / zdroj je přivedeno 110 V, 100 V z odtoku spěchá ke zdroji a ruší aplikovaný potenciál brány / zdroje na 100 V, což umožňuje provádění postupů pouze plus 10 V. MOSFET je tedy schopen bezpečně fungovat bez hoření.

Co je Bootstrapping

Z výše uvedených odstavců jsme pochopili, proč přesně potřebujeme přibližně 10 V vyšší než vypouštěcí napětí jako Vgs pro vysokofrekvenční mosfety v H-můstku.

Síť obvodů, která provádí výše uvedený postup, se nazývá bootstrappingová síť v obvodu H-můstku.

Ve standardním IC ovladači H-můstku je bootstrapping dosažen přidáním diody a vysokonapěťového kondenzátoru s hradlem / zdrojem vysokofrekvenčních mosfetů.

Když je nízkofrekvenční MOSFET zapnutý (vysokofrekvenční FET je vypnutý), kolík HS a uzel spínače jsou uzemněny. V_ddnapájení přes bypassový kondenzátor nabíjí bootstrapový kondenzátor přes bootstrap diodu a rezistor.

Když je FET na nízké straně vypnutý a vysoká strana je zapnutá, HS kolík ovladače brány a spínací uzel se připojí k vysokonapěťové sběrnici HV, kondenzátor bootstrap vybije část uloženého napětí (shromážděného během nabíjení sekvence) na high-side FET přes kolíky HO a HS ovladače brány, jak je znázorněno na.

Další informace naleznete v této příručce k tomuto článku

Implementace praktického okruhu

Po důkladném seznámení s výše uvedeným konceptem můžete být stále zmateni ohledně správné metody implementace obvodu H-Bridge? Tady je aplikační obvod pro vás všechny s komplikovaným popisem.

Fungování výše uvedeného návrhu aplikace H-bridge lze pochopit pomocí následujících bodů:

Klíčovým aspektem je zde vyvinout napětí napříč 10uF tak, aby se během jeho doby zapnutí rovnalo „požadovanému zátěžovému napětí“ plus napájení 12V u bran MOSFETů vysoké strany.

Zobrazená konfigurace to provádí velmi efektivně.

Představte si, že hodiny č. 1 jsou vysoké a hodiny č. 2 jsou nízké (protože se předpokládá, že mají střídavě taktovat).

V této situaci se horní pravý MOSFET vypne, zatímco levý dolní MOSFET se zapne.

Kondenzátor 10uF se rychle nabíjí až +12 V prostřednictvím diody 1N4148 a spodního odběru / zdroje mosfetu.

V dalším okamžiku, jakmile hodiny # 1 klesnou a hodiny # 2 se zvýší, náboj přes levý 10uF zapne levý horní MOSFET, který okamžitě začne dirigovat.

V této situaci začne jeho odtokové napětí spěchat k jeho zdroji a současně napětí začne tlačit do 10uF kondenzátoru takovým způsobem, že stávající náboj + 12V „sedí“ nad tímto okamžitým tlakem napětí z terminálu MOSFET.

Toto přidání potenciálu odtoku do kondenzátoru 10uF přes zdrojovou svorku zajišťuje, že se oba potenciály sčítají a umožňují okamžitý potenciál přes bránu / zdroj MOSFET být jen kolem + 12V nad potenciálem odtoku.

Pokud je například vybráno odtokové napětí 100 V, pak těchto 100 V zatlačí do 10 uF a způsobí nepřetržitě kompenzující potenciální hradlové napětí, které se udržuje na +12 těsně nad 100 V.

Doufám, že vám to pomohlo pochopit základní fungování horního bootstrappingu pomocí diskrétní kondenzátorové diodové sítě.

Závěr

Z výše uvedené diskuse chápeme, že bootstrapping je zásadní pro všechny topologie H-můstku, aby bylo možné efektivně zapnout vysokofrekvenční mosfety.

V tomto procesu je vhodně zvolený kondenzátor přes bránu / emitor MOSFETu na vysoké straně nabitý na 12V vyšší, než je použitá úroveň vypouštěcího napětí. Pouze tehdy, když k tomu dojde, jsou vysoké mosfety schopny zapnout a dokončit zamýšlené přepínání připojené zátěže push-pull.