H-Bridge Bootstrapping

Bootstrapping er et avgjørende aspekt som du finner i alle H-bridge eller full bridge nettverk med N-kanal mosfets.

Det er en prosess der port- / kildeterminalene til de høye sidemosfettene byttes med en spenning som er minst 10V høyere enn avløpsspenningen. Betydning, hvis avløpsspenningen er 100V, må den effektive port- / kildespenningen være 110V for å muliggjøre full overføring av 100V fra avløpet til kilden til høysiden.

Uten bootstrapping anlegget en H-bro topologi med identiske myggløfter vil ganske enkelt ikke fungere.

Vi vil prøve å forstå detaljene gjennom en trinnvis forklaring.

Et bootstrapping-nettverk blir bare nødvendig når alle de fire enhetene i H-broen er identiske med polariteten. Vanligvis er dette n-kanal mosfeter (4 p-kanaler brukes aldri av åpenbare grunner).

Følgende bilde viser en standard H-brokonfigurasjon for n-kanal

Hovedfunksjonen til denne mosfet-topologien er å bytte 'belastning' eller transformatorens primær i dette diagrammet, på en flip-flop-måte. Betydning, for å skape en vekslende push-pull-strøm over den tilkoblede transformatorviklingen.

For å implementere dette slås de diagonalt anlagte mosfets PÅ / AV samtidig. Og dette sykles vekselvis for de diagonale parene. For eksempel er parene Q1 / Q4 og Q2 / Q3 sammen slått PÅ / AV, vekselvis. Når Q1 / Q4 er PÅ, er Q2 / Q3 AV, og omvendt.

Ovennevnte handling tvinger strøm til å skifte polaritet over den tilkoblede transformatorviklingen. Dette fører igjen til at den induserte høyspenningen over transformatorens sekundær også endrer sin polaritet, og produserer den tiltenkte vekselstrømmen eller vekslende utgang på sekundærsiden av transformatoren.

Hva er High-Side Low-Side Mosfets

Den øvre Q1 / Q2 kalles mosfets for høye sider, og den nedre Q3 / Q4 kalles mosides for lave sider.

Mosfet på den lave siden har referansekabler (kildeterminaler) som er riktig koblet til jordlinjen. Imidlertid har mosfet på høysiden ingen tilgang til referansejordlinjen direkte, i stedet er de koblet til transformatorens primær.

Vi vet at kildeterminalen til en mosfet eller emitteren til en BJT må være koblet til den vanlige jordlinjen (eller den felles referanselinjen) for å gjøre det mulig å lede og bytte en last normalt.

I en H-bro, siden mosfeter på høysiden ikke har tilgang til fellesområdet direkte, blir det umulig å slå dem PÅ effektivt med en normal port DC (Vgs).

Det er her problemet oppstår, og et bootstrapping-nettverk blir avgjørende.

Hvorfor er dette et problem?

Vi vet alle at en BJT krever minst 0,6 V mellom basen / emitteren for å kunne lede den fullt ut. Tilsvarende krever en mosfet rundt 6 til 9V over porten / kilden for å lede seg fullt ut.

Her betyr 'fullt' optimal overføring av mosfet-avløpsspenningen eller BJT-kollektorspenningen til deres respektive kilde- / emitterterminaler, som svar på inngang til gate / basespenning.

I en H-bro har myggene på den lave siden ingen problemer med bytteparametrene, og disse kan byttes normalt og optimalt uten spesielle kretser.

Dette er fordi kildepinnen alltid har null eller jordpotensial, slik at porten kan løftes ved den spesifiserte 12V eller 10V over kilden. Dette oppfyller de nødvendige koblingsforholdene for mosfet og gjør det mulig å trekke avløpslasten helt til bakkenivå.

Følg nå mosfets på høysiden. Hvis vi bruker 12V over porten / kilden, reagerer mosfetene i utgangspunktet godt og begynner å lede avløpsspenningen mot kildeterminalene. Imidlertid, mens dette skjer, på grunn av tilstedeværelsen av lasten (transformator primærvikling) begynner kildepinnen å oppleve et stigende potensial.

Når dette potensialet stiger over 6V, begynner mosfetten å stoppe, fordi den ikke har mer 'plass' å lede, og når kildepotensialet når 8V eller 10V, slutter mosfetten bare å lede.

La oss forstå dette ved hjelp av følgende enkle eksempel.

Her kan lasten sees sammenkoblet ved kilden til mosfetten, og etterligner en mosfet på Hi-side i en H-bro.

I dette eksemplet, hvis du måler spenningen over motoren, vil du finne at den er bare 7V, selv om 12V påføres på avløpssiden.

Dette er fordi 12 - 7 = 5V er den minste minimumsporten / kilden eller V._gssom blir brukt av mosfet for å holde ledningen PÅ. Siden motoren her er en 12V-motor, roterer den fortsatt med 7V-forsyningen.

Hvis vi antar at vi brukte en 50V motor med 50V forsyning på avløpet og 12V på porten / kilden, kan vi se bare 7V på kilden, noe som produserer absolutt ingen bevegelse på 50V motoren.

Imidlertid, hvis vi bruker rundt 62V over porten / kilden til Mosfet. Dette vil øyeblikkelig slå MOSFET på, og kildespenningen vil raskt begynne å stige til den når maksimalt 50V avløpsnivå. Men selv ved 50V kildespenning, ville porten være 62V fortsatt 62 - 50 = 12V høyere enn kilden, noe som muliggjør en full ledning av mosfet og motor.

Dette antyder at portkildeterminalene i eksemplet ovenfor vil kreve noe rundt 50 + 12 = 62V for å aktivere full hastighetsbryter på 50V-motoren. Fordi dette gjør at portens spenningsnivå på mosfet kan løftes riktig på det spesifiserte 12V-nivået over kilden .

Hvorfor brenner ikke Mosfet med så høye Vgs

Det er fordi så snart gatespenningen (V._gs) påføres, slås høyspenningen på avløpssiden øyeblikkelig på og den styrter mot kildeterminalen og avbryter overflødig port / kildespenning. Til slutt er bare effektive 12V eller 10V gjengitt ved porten / kilden.

Betydning, hvis 100V er avløpsspenningen, og 110V brukes på porten / kilden, strømmer 100V fra avløpet mot kilden, og opphever den påførte porten / kildepotensialet 100V, slik at bare pluss 10V kan operere prosedyrene. Derfor er mosfet i stand til å operere trygt uten å brenne.

Hva er Bootstrapping

Fra avsnittene ovenfor forsto vi hvorfor akkurat vi trenger rundt 10V høyere enn avløpsspenningen som Vgs for høysidemosfeter i en H-bro.

Kretsnettverket som oppnår fremgangsmåten ovenfor kalles et bootstrapping-nettverk i en H-bro-krets.

I standard H-bridge driver IC oppnås bootstrapping ved å legge til en diode og en høyspenningskondensator med porten / kilden til de høye sidemosfettene.

Når lav-sidemosfetten er slått på (høysiden FET er av), er HS-pinnen og bryterenoden jordet. V_ddforsyning, gjennom bypass-kondensatoren, lader bootstrap-kondensatoren gjennom bootstrap-dioden og motstanden.

Når FET på lav side er slått av og høysiden er på, kobles HS-stiften til portdriveren og bryterenoden til høyspenningsbussen HV, bootstrap-kondensatoren utleder noe av den lagrede spenningen (samlet under lading sekvens) til høysiden FET gjennom HO- og HS-pinnene til portdriveren som vist i.

For mer info om dette kan du henvise til denne artikkelen

Implementering av en praktisk krets

Etter å ha lært konseptet grundig, kan du fremdeles være forvirret når det gjelder riktig metode for implementering av en H-Bridge-krets? Så her er en applikasjonskrets for dere alle, med en utførlig beskrivelse.

Arbeidet med ovennevnte H-bridge applikasjonsdesign kan forstås med følgende punkter:

Det avgjørende aspektet her er å utvikle en spenning over 10uF slik at den blir lik 'ønsket belastningsspenning' pluss forsyningen 12V ved portene til MOSFET-ene på høysiden, i løpet av PÅ-periodene.

Den viste konfigurasjonen utfører dette veldig effektivt.

Tenk deg at klokke nr. 1 er høy, og klokke nr. 2 er lav (siden de skal skiftevis).

I denne situasjonen blir mosfet øverst til høyre AV, mens mosfet nederst til venstre er slått PÅ.

10uF kondensatoren lades raskt opp til + 12V gjennom 1N4148-dioden og nedre mosfetavløp / kilde.

I neste øyeblikk, så snart klokke nr. 1 blir lav og klokke nr. 2 blir høy, slår ladingen over venstre 10uF PÅ MOSFET øverst til venstre som umiddelbart begynner å lede.

I denne situasjonen begynner avløpsspenningen å strømme mot kilden, og samtidig begynner spenningene å skyve inn i 10uF kondensatoren på en slik måte at den eksisterende ladningen + 12V 'sitter' over denne øyeblikkelige pressespenningen fra MOSFET-terminalen.

Denne tilførselen av avløpspotensialet i 10uF kondensatoren gjennom kildeterminalen sørger for at de to potensialene legger seg sammen og muliggjør det øyeblikkelige potensialet over porten / kilden til MOSFET å være omtrent rundt + 12V over avløpspotensialet.

For eksempel hvis avløpsspenningen er valgt til å være 100V, skyver denne 100V inn i 10uF og forårsaker en kontinuerlig kompenserende potensiell gate spenning som holder seg på +12 like over 100V.

Jeg håper dette hjalp deg til å forstå grunnleggende bearbeiding av høysiden bootstrapping bruker diskret kondensatordiodenettverk.

Konklusjon

Fra diskusjonen ovenfor forstår vi at bootstrapping er avgjørende for alle H-bridge-topologier for å tillate effektiv innkobling av høysidemosfeter.

I denne prosessen lades en passende valgt kondensator over porten / emitteren til den høye sidemosfetten 12V høyere enn det påførte avløpsspenningsnivået. Først når dette skjer, er mosfets på høysiden i stand til å slå PÅ og fullføre den tiltenkte push pull-bryteren for den tilkoblede lasten.