H-Bridge bootstrapping

Bootstrapping er et afgørende aspekt, som du finder i alle H-bridge eller full bridge-netværk med N-kanal mosfeter.

Det er en proces, hvor port- / kildeterminalerne på de høje sidemosfeter skiftes med en spænding, der er mindst 10V højere end dens afløbsspænding. Betydning, hvis afløbsspændingen er 100V, skal den effektive gate / kildespænding være 110V for at muliggøre fuld overførsel af 100V fra afløbet til kilden til den høje sidemosfet.

Uden bootstrapping facilitet en H-bro topologi med identiske mosfeter fungerer simpelthen ikke.

Vi vil forsøge at forstå detaljerne gennem en trinvis forklaring.

Et bootstrapping-netværk bliver kun nødvendigt, når alle de 4 enheder i H-broen er identiske med deres polaritet. Almindeligvis er dette n-kanal mosfeter (4 p-kanal bruges aldrig af åbenlyse grunde).

Det følgende billede viser en standard H-brokonfiguration med n-kanal

Hovedfunktionen ved denne mosfet-topologi er at skifte 'belastning' eller transformatorens primære i dette diagram på en flip-flop-måde. Betydning, at skabe en alternerende push-pull-strøm på tværs af den tilsluttede transformatorvikling.

For at gennemføre dette tændes / slukkes de diagonalt arrangerede mosfeter samtidigt. Og dette cykles skiftevis for de diagonale par. For eksempel er parene Q1 / Q4 og Q2 / Q3 skiftevis TIL / FRA. Når Q1 / Q4 er TIL, er Q2 / Q3 FRA, og omvendt.

Ovenstående handling tvinger strøm til skiftevis at ændre sin polaritet over den tilsluttede transformatorvikling. Dette medfører igen, at den inducerede høje spænding på tværs af transformatoren også ændrer dens polaritet og producerer den tilsigtede vekselstrøm eller skiftevis udgang på transformatorens sekundære side.

Hvad er High-Side Low-Side Mosfets

Den øvre Q1 / Q2 kaldes de høje sidemosfeter, og den nedre Q3 / Q4 kaldes de lave sidemosfeter.

Mosfet på den lave side har deres referencekabler (kildeterminaler), der er korrekt forbundet med jordlinjen. Imidlertid har den høje sidemosfet ingen adgang til referencejordlinjen direkte, men er i stedet forbundet med transformatorens primære.

Vi ved, at 'kilde'-terminalen på en mosfet eller emitteren til en BJT skal forbindes til den fælles jordlinje (eller den fælles referencelinje) for at gøre det muligt at lede og skifte en belastning normalt.

I en H-bro, da mosfeterne på de høje sider ikke er i stand til at få adgang til den fælles grund direkte, bliver det umuligt at tænde dem effektivt med en normal gate DC (Vgs).

Det er her, problemet opstår, og et bootstrapping-netværk bliver afgørende.

Hvorfor er dette et problem?

Vi ved alle, at en BJT kræver et minimum på 0,6 V mellem basen / emitteren for at kunne udføre fuldt ud. Tilsvarende kræver en mosfet omkring 6 til 9V på tværs af porten / kilden for at udføre fuldt ud.

Her betyder 'fuldt ud' optimal overførsel af mosfet-afløbsspændingen eller BJT-kollektorspændingen til deres respektive kilde- / emitterterminaler som svar på gate / basisspændingsindgang.

I en H-bro har mosfeterne på de lave sider ingen problemer med deres skifteparametre, og disse kan skiftes normalt og optimalt uden specielle kredsløb.

Dette skyldes, at kildestiften altid er på nul eller jordpotentiale, så porten kan hæves ved den specificerede 12V eller 10V over kilden. Dette opfylder de krævede koblingsbetingelser for mosfet og gør det muligt at trække afløbsbelastningen helt til jorden.

Overhold nu mosfeterne på den høje side. Hvis vi anvender 12V på tværs af porten / kilden, reagerer mosfeterne oprindeligt godt og begynder at lede afløbsspændingen mod kildeterminalerne. Imidlertid, mens dette sker, på grund af tilstedeværelsen af ​​belastningen (transformator primærvikling), begynder kildestiften at opleve et stigende potentiale.

Når dette potentiale stiger over 6V, begynder mosfet at gå i stå, fordi det ikke har mere 'plads' til at lede, og når kildepotentialet når 8V eller 10V, stopper mosfet bare med at lede.

Lad os forstå dette ved hjælp af følgende enkle eksempel.

Her kan belastningen ses forbundet ved kilden til mosfet, hvilket efterligner en Hi-side mosfet-tilstand i en H-bro.

I dette eksempel, hvis du måler spændingen over motoren, finder du, at den kun er 7V, selvom der anvendes 12V på afløbssiden.

Dette skyldes, at 12 - 7 = 5V er den absolutte minimum gate / kilde eller V_gsdet bliver brugt af mosfet til at holde ledningen ON. Da motoren her er en 12V motor, roterer den stadig med 7V forsyningen.

Hvis vi antager, at vi brugte en 50V motor med 50V forsyning på afløbet og 12V på porten / kilden, ser vi muligvis kun 7V på kilden, hvilket producerer absolut ingen bevægelse på 50V motoren.

Men hvis vi anvender omkring 62V på tværs af porten / kilden til Mosfet. Dette ville straks tænde for mosfet, og dets kildespænding ville hurtigt begynde at stige, indtil det når op til det maksimale 50V drænniveau. Men selv ved 50V kildespænding ville porten være 62V stadig 62 - 50 = 12V højere end kilden, hvilket muliggør en fuld ledning af mosfet og motoren.

Dette indebærer, at portkildeterminalerne i ovenstående eksempel vil kræve noget omkring 50 + 12 = 62V for at muliggøre en fuld hastighedskontakt på 50V-motoren. Fordi dette gør det muligt at hæve mosfets gate spændingsniveau korrekt på det specificerede 12V niveau over kilden .

Hvorfor brænder ikke Mosfet med så høje Vgs

Det skyldes, at så snart portens spænding (V._gs) anvendes, tændes afløbssidens høje spænding øjeblikkeligt, og den skynder sig ved kildeterminalen og annullerer den overskydende port / kildespænding. Endelig gengives kun den effektive 12V eller 10V ved porten / kilden.

Det betyder, at hvis 100V er afløbsspændingen, og 110V anvendes på porten / kilden, strømmer 100V fra afløbet mod kilden, hvilket annullerer det anvendte port / kildepotentiale 100V, hvilket kun tillader plus 10V at betjene procedurerne. Derfor er mosfet i stand til at fungere sikkert uden at brænde.

Hvad er Bootstrapping

Fra ovenstående afsnit forstod vi, hvorfor vi nøjagtigt har brug for omkring 10V højere end afløbsspændingen som Vgs for de høje sidemosfeter i en H-bro.

Kredsløbnetværket, der udfører ovenstående procedure, kaldes et bootstrapping-netværk i et H-brokredsløb.

I standard H-bridge driver IC opnås bootstrapping ved at tilføje en diode og en højspændingskondensator med porten / kilden til de høje sidemosfeter.

Når mosfet på lav side er tændt (FET på høj side er slukket), er HS-stiften og switchnoden jordforbundet. V_ddforsyning, via bypass-kondensatoren, oplader bootstrap-kondensatoren gennem bootstrap-dioden og modstanden.

Når FET'en på lav side er slukket, og højsiden er tændt, forbindes gate-driverens HS-knap og switchnoden til højspændingsbussen HV bootstrap-kondensatoren aflader noget af den lagrede spænding (opsamlet under opladningen sekvens) til FET på højsiden gennem portdriveren HO og HS som vist i.

For mere info om dette kan du henvise til denne artikel

Implementering af et praktisk kredsløb

Efter at have lært konceptet ovenfor grundigt, kan du stadig være forvirret med hensyn til den korrekte metode til implementering af et H-Bridge-kredsløb? Så her er et applikationskredsløb for jer alle med en detaljeret beskrivelse.

Arbejdet med ovenstående H-bridge applikationsdesign kan forstås med følgende punkter:

Det afgørende aspekt her er at udvikle en spænding på tværs af 10uF, således at den bliver lig med den 'ønskede belastningsspænding' plus forsyningen 12V ved portene til højsides MOSFET'erne i deres ON-perioder.

Den viste konfiguration udfører dette meget effektivt.

Forestil dig at ur # 1 er højt, og ur # 2 er lavt (da de formodes at være skiftevis ur).

I denne situation bliver mosfet øverst til højre OFF, mens mosfet nederst til venstre er tændt.

10uF kondensatoren oplades hurtigt op til + 12V gennem 1N4148-dioden og nedre mosfetafløb / kilde.

I det næste øjeblik, så snart ur # 1 bliver lavt og ur # 2 bliver højt, tænder opladningen over den venstre 10uF den øverste venstre MOSFET, som straks begynder at lede.

I denne situation begynder afløbsspændingen at strømme mod sin kilde, og samtidig begynder spændingerne at skubbe ind i 10uF kondensatoren på en sådan måde, at den eksisterende opladning + 12V 'sidder' over denne øjeblikkeligt skubbe spænding fra MOSFET-terminalen.

Denne tilføjelse af dræningspotentialet i 10uF kondensatoren gennem kildeterminalen sikrer, at de to potentialer tilføjes og muliggør, at det øjeblikkelige potentiale over MOSFETs gate / kilde ligger lige omkring + 12V over afløbspotentialet.

For eksempel, hvis afløbsspændingen er valgt til at være 100V, skubber denne 100V ind i 10uF, hvilket forårsager en kontinuerligt kompenserende potentiel gate spænding, som opretholdes ved +12 lige over 100V.

Jeg håber, dette hjalp dig med at forstå grundlæggende bearbejdning af bootstrapping i høj side ved hjælp af diskret kondensatordiodenetværk.

Konklusion

Fra ovenstående diskussion forstår vi, at bootstrapping er afgørende for alle H-bridge-topologier for at muliggøre effektiv tænding af mosfeterne i høj side.

I denne proces oplades en passende valgt kondensator over porten / emitteren på den høje side mosfet 12V højere end det påførte afløbsspændingsniveau. Først når dette sker, er mosfeterne på høj side i stand til at tænde og fuldføre den tilsigtede push pull-switch for den tilsluttede belastning.