H-Bridge Bootstrapping

Bootstrapping je ključni vidik, ki ga boste našli v vseh omrežjih H-bridge ali full bridge z N-kanalnimi mosfet-i.

Gre za postopek, pri katerem se terminali vrat / vira visokofrekvenčnih mosfetov preklopijo z napetostjo, ki je vsaj 10V višja od odtočne napetosti. Pomen, če je odtočna napetost 100V, mora biti efektivna napetost vrat / vira 110V, da se omogoči popoln prenos 100V od odtoka do vira visokofrekvenčnega MOSFET-a.

Brez bootstrapping objekt topologije H-most z enakimi MOSFET-i preprosto ne bo deloval.

Podrobnosti bomo poskušali razumeti s podrobno razlago.

Začetno omrežje postane potrebno le, če so vse 4 naprave v H-mostu enake svoji polarnosti. Običajno gre za n-kanalne MOSFET-ove (4-kanalni se iz očitnih razlogov nikoli ne uporablja).

Naslednja slika prikazuje standardno konfiguracijo n-kanalnega mostu H

Glavna naloga te topologije MOSFET-a je v tem diagramu preklopiti 'obremenitev' ali primarni transformator na flip-flop način. Pomen, da se na priključenem navitju transformatorja ustvari izmenični potisni tok.

Za izvedbo tega se diagonalno razporejeni MOSFET-ji istočasno vklopijo / izklopijo. In to se pri diagonalnih parih izmenično ciklira. Na primer, para Q1 / Q4 in Q2 / Q3 sta izmenično vklopljena / izklopljena. Ko je Q1 / Q4 vklopljen, je Q2 / Q3 izklopljen in obratno.

Zgornje delovanje prisili tok, da izmenično spreminja svojo polarnost na povezanem navitju transformatorja. To pa povzroči, da inducirana visoka napetost na sekundarnem transformatorju spremeni tudi njegovo polarnost, kar povzroči predvideni izmenični tok ali izmenični izhod na sekundarni strani transformatorja.

Kaj so visokofrekvenčni nizkostranski mosfeti

Zgornji Q1 / Q2 se imenujejo visoki stranski mosfet, spodnji Q3 / Q4 pa nizki stranski mosfet.

Nizkonapetostni mosfet imajo referenčne vodnike (izvorne sponke) primerno povezane s tlemi. Vendar visokofrekvenčni mosfet nima neposrednega dostopa do referenčne ozemljitvene črte, temveč je priključen na primarni transformator.

Vemo, da mora biti 'izvorni' terminal mosfet-a ali oddajnik BJT povezan s skupno ozemljitveno linijo (ali skupno referenčno linijo), da lahko normalno izvaja in preklaplja obremenitev.

V H-mostu, ker visokofrekvenčni mosfeti ne morejo neposredno dostopati do skupnega tla, postane njihovo nemogoče učinkovito vklopiti z običajnim DC (Vgs).

Tu se pojavi težava in omrežje za zagon je ključnega pomena.

Zakaj je to težava?

Vsi vemo, da BJT potrebuje najmanj 0,6 V med bazo / oddajnikom, da lahko v celoti deluje. Podobno mosfet potrebuje približno 6 do 9 V čez vrata / vir, da lahko v celoti deluje.

Tu 'popolnoma' pomeni optimalen prenos odvodne napetosti MOSFET-a ali napetosti kolektorja BJT na ustrezne terminale vira / oddajnika kot odziv na vhodno napetost vrat / baze.

V H-mostu nizkofrekvenčni mosfet nima težav s svojimi preklopnimi parametri in jih je mogoče brez posebnega vezja normalno in optimalno preklapljati.

To je zato, ker je izvorni zatič vedno z ničelnim ali ozemljitvenim potencialom, kar omogoča dvig vrat na določenih 12V ali 10V nad virom. To izpolnjuje zahtevane preklopne pogoje MOSFET-a in mu omogoča, da v celoti potegne odtočno obremenitev na nivo tal.

Zdaj pa opazujte visoke stranske MOSFET-ove. Če na njegova vrata / vir uporabimo 12V, se mosfets sprva dobro odzove in začne odvajati odtočno napetost proti terminalom vira. Medtem ko se to zgodi, se zaradi prisotnosti obremenitve (primarni navit transformatorja) zatič vira povečuje.

Ko se ta potencial dvigne nad 6V, se mosfet začne zaustavljati, ker nima več 'prostora' za vodenje, in ko potencial vira doseže 8V ali 10V, mosfet preprosto preneha izvajati.

Razumimo to s pomočjo naslednjega preprostega primera.

Tu je razvidno, da je obremenitev povezana na izvoru MOSFET-a, ki posnema stanje MOS-tranzistorja Hi-Side v H-mostu.

V tem primeru, če izmerite napetost na motorju, boste ugotovili, da je le 7V, čeprav je 12V na strani odtoka.

To je zato, ker je 12 - 7 = 5 V najmanjši minimum vrat / vira ali V_gski ga uporablja MOSFET za ohranjanje prevodnosti. Ker je tu motor 12V, se še vedno vrti z napajanjem 7V.

Če domnevamo, da smo uporabili 50V motor z 50V napajalnikom na odtoku in 12V na vratih / viru, bomo morda videli le 7V na viru, pri čemer 50V motorja ne bosta popolnoma premikali.

Če pa uporabimo približno 62 V čez vrata / vir MOSFET-a. To bi takoj vklopilo MOSFET in napetost njegovega izvora bi hitro začela naraščati, dokler ne doseže najvišje ravni odtoka 50V. Toda tudi pri napetosti vira 50V bi bila vrata 62V še vedno 62-50 = 12V višja od vira, kar bi omogočilo popolno prevodnost MOSFET-a in motorja.

To pomeni, da bi v zgornjem primeru terminali za izvor vrat potrebovali nekaj okoli 50 + 12 = 62V, da bi omogočili preklop s polno hitrostjo na 50V motorju. Ker to omogoča pravilno povišanje nivoja napetosti na vratih MOSFET-a na določeni ravni 12V nad virom .

Zakaj Mosfet ne gori s tako visokimi Vgs

To je takoj, ko je napetost vrat (V_gs), se visokonapetostna stran odtočne strani takoj vklopi in požene na izvorno sponko ter prekine presežno napetost vrat / vira. Nazadnje je na vratih / viru upodobljeno le efektivnih 12V ali 10V.

To pomeni, da če je 100 V odtočna napetost in je na vhodu / viru uporabljeno 110 V, 100 V iz odtoka teče k viru in razveljavi uporabljeni potencial vhoda / vira 100 V, kar omogoča, da postopki delujejo samo plus 10 V. Zato mosfet lahko deluje varno, ne da bi se zagorel.

Kaj je Bootstrapping

Iz zgornjih odstavkov smo razumeli, zakaj točno potrebujemo približno 10V višjo od odtočne napetosti kot Vgs za visoke stranske MOSFET-ove v H-mostu.

Omrežje vezij, ki izvede zgornji postopek, se v vezju H-mostu imenuje zagonsko omrežje.

V standardnem IC gonilnika mostu H je zagonsko ločevanje doseženo z dodajanjem diode in visokonapetostnega kondenzatorja z vrati / izvorom visokofrekvenčnih mosfetov.

Ko je vklopljen mosfet nizke strani (FET visoke strani je izklopljen), sta zatič HS in stikalno vozlišče ozemljena. V_dddovod skozi obvodni kondenzator napolni bootstrap kondenzator skozi zagonsko diodo in upor.

Ko je FET na nizki strani izklopljen in je na visoki strani vklopljen, se zatič HS gonilnika vrat in stikalno vozlišče priključita na visokonapetostno vodilo HV, kondenzator bootstrapa izprazni nekaj shranjene napetosti (zbrane med polnjenjem zaporedje) na visokofrekvenčni FET skozi zatiča HO in HS gonilnika vrat, kot je prikazano na.

Za več informacij o tem se lahko obrnete k temu članku

Izvajanje praktičnega kroga

Po temeljitem učenju zgornjega koncepta ste morda še vedno zmedeni glede pravilne metode izvajanja vezja H-Bridge? Tukaj je torej prijavno vezje za vse vas z natančnim opisom.

Delovanje zgornje zasnove aplikacije H-bridge je mogoče razumeti z naslednjimi točkami:

Pri tem je ključni vidik razviti napetost na 10uF, tako da postane enaka 'želeni napetosti obremenitve' plus napajanje 12V na vratih visokofrekvenčnih MOSFET-jev med njihovimi vklopljenimi obdobji.

Prikazana konfiguracija to izvrši zelo učinkovito.

Predstavljajte si, da je ura št. 1 visoka, ura št. 2 pa nizka (ker naj bi se izmenično taktirale).

V tem primeru se zgornji desni MOSFET izklopi, spodnji levi MOSFET pa je vklopljen.

Kondenzator 10uF hitro napolni do + 12V skozi diodo 1N4148 in spodnji odtok / vir MOSFET-a.

V naslednjem trenutku, takoj ko ura # 1 postane nizka in ura # 2 postane visoka, se napolni levi 10uF vklopi zgornji levi MOSFET, ki takoj začne izvajati.

V tem primeru začne njegova odtočna napetost hiteti proti svojemu viru, hkrati pa se napetosti začnejo potiskati v kondenzator 10uF tako, da obstoječi naboj + 12V 'sedi' nad tem trenutnim potiskanjem napetosti s terminala MOSFET.

To dodajanje odtočnega potenciala v kondenzator 10uF skozi izvorni terminal zagotavlja, da se oba potenciala seštevata in omogočata takojšnji potencial čez vrata / vir MOSFET-a tik pri približno + 12V nad odtočnim potencialom.

Na primer, če je izbrana napetost odtoka 100V, potem ta 100V potisne v 10uF, kar povzroči neprekinjeno kompenzacijsko potencialno napetost vrat, ki se ohranja pri +12 tik nad 100V.

Upam, da vam je to pomagalo razumeti osnovno delovanje visokostranskega bootstrappinga z uporabo diskretnega kondenzatorskega diodnega omrežja.

Zaključek

Iz zgornje razprave razumemo, da je bootstrapping ključnega pomena za vse topologije H-mostu, da se omogoči učinkovito vklop visokofrekvenčnih mosfetov.

V tem postopku se ustrezno izbran kondenzator preko vrat / oddajnika visokofrekvenčnega mosfet-a napolni na 12V višje od uporabljene ravni odtočne napetosti. Šele ko se to zgodi, se visokofrekvenčni mosfets lahko vklopijo in dokončajo predvideno potisno preklapljanje priključene obremenitve.