Bootstrapping z mostkiem H

Bootstraping jest kluczowym aspektem, który znajdziesz we wszystkich sieciach z mostkiem H lub pełnym mostkiem z mosfetami N-kanałowymi.

Jest to proces, w którym zaciski bramki / źródła mosfetów z wysokim napięciem są przełączane z napięciem wyższym o co najmniej 10 V od napięcia drenu. Oznacza to, że jeśli napięcie drenu wynosi 100 V, to efektywne napięcie bramki / źródła musi wynosić 110 V, aby umożliwić pełne przeniesienie 100 V z drenu do źródła mosfetu strony wysokiej.

Bez bootstrap obiekt topologia mostka H z identycznymi mosfetami po prostu nie zadziała.

Postaramy się zrozumieć szczegóły, wyjaśniając krok po kroku.

Sieć ładująca staje się konieczna tylko wtedy, gdy wszystkie 4 urządzenia w mostku H mają identyczną polaryzację. Zwykle są to mosfety n-kanałowe (4 kanały p nigdy nie są używane z oczywistych powodów).

Poniższy obraz przedstawia standardową konfigurację n-kanałowego mostka H.

Główną funkcją tej topologii mosfetu jest przełączanie „obciążenia” lub uzwojenia pierwotnego transformatora na tym schemacie w sposób przerzutny. Oznacza to wytworzenie przemiennego prądu przeciwsobnego na podłączonym uzwojeniu transformatora.

Aby to zrealizować, mosfety ułożone po przekątnej są jednocześnie włączane i wyłączane. I to jest zmieniane na przemian dla par przekątnych. Na przykład pary Q1 / Q4 i Q2 / Q3 są naprzemiennie włączane / wyłączane razem. Kiedy Q1 / Q4 jest WŁ., Q2 / Q3 jest WYŁ. I odwrotnie.

Powyższe działanie wymusza naprzemienną zmianę polaryzacji prądu na podłączonym uzwojeniu transformatora. To z kolei powoduje, że indukowane wysokie napięcie w uzwojeniu wtórnym transformatora również zmienia jego polaryzację, wytwarzając zamierzony prąd przemienny lub przemienny sygnał wyjściowy po stronie wtórnej transformatora.

Co to są układy Mosfets typu high-side low-side

Górne Q1 / Q2 nazywane są mosfetami po stronie wysokiej, a niższe Q3 / Q4 nazywane są mosfetami po stronie niskiej.

MOSFET po stronie niskiego ma swoje przewody odniesienia (zaciski źródła) odpowiednio połączone z linią masy. Jednak mosfety po stronie wysokociśnieniowej nie mają bezpośredniego dostępu do uziemienia odniesienia, zamiast tego są podłączone do pierwotnego transformatora.

Wiemy, że zacisk „źródłowy” mosfetu lub emiter BJT musi być podłączony do wspólnej linii uziemienia (lub wspólnej linii odniesienia), aby umożliwić normalne przewodzenie i przełączanie obciążenia.

W mostku typu H, ponieważ mosfety z wysokim napięciem nie mają bezpośredniego dostępu do wspólnej masy, skuteczne ich włączenie za pomocą normalnej bramki DC (Vgs) staje się niemożliwe.

W tym miejscu pojawia się problem, a sieć ładująca staje się kluczowa.

Dlaczego to jest problem?

Wszyscy wiemy, że BJT wymaga co najmniej 0,6 V między podstawą / emiterem, aby w pełni przewodzić. Podobnie, mosfet wymaga około 6 do 9 V na swojej bramce / źródle, aby w pełni przewodzić.

W tym przypadku „w pełni” oznacza optymalne przeniesienie napięcia drenu mosfetu lub napięcia kolektora BJT do odpowiednich zacisków źródła / emitera w odpowiedzi na napięcie wejściowe bramki / podstawy.

W mostku typu H mosfety z niską stroną nie mają problemów z parametrami przełączania i można je przełączać normalnie i optymalnie bez żadnych specjalnych obwodów.

Dzieje się tak, ponieważ pin źródłowy ma zawsze zero lub potencjał masy, co pozwala na podniesienie bramki przy określonym 12 V lub 10 V powyżej źródła. Spełnia to wymagane warunki przełączania mosfetu i umożliwia pełne ściągnięcie obciążenia odpływu do poziomu gruntu.

Teraz obserwuj mosfety po stronie wysokiej. Jeśli zastosujemy 12 V do jego bramki / źródła, mosfety początkowo dobrze zareagują i zaczną przewodzić napięcie drenu w kierunku zacisków źródła. Jednak gdy tak się dzieje, z powodu obecności obciążenia (uzwojenia pierwotnego transformatora) na pinie źródła zaczyna występować wzrost potencjału.

Kiedy ten potencjał wzrośnie powyżej 6 V, mosfet zaczyna się blokować, ponieważ nie ma już „przestrzeni” do przewodzenia, a zanim potencjał źródła osiągnie 8 V lub 10 V, mosfet po prostu przestaje przewodzić.

Zrozummy to za pomocą następującego prostego przykładu.

Tutaj obciążenie można zobaczyć podłączone u źródła mosfetu, imitując stan mosfetu strony Hi w mostku H.

W tym przykładzie, jeśli zmierzysz napięcie na silniku, okaże się, że wynosi ono zaledwie 7 V, chociaż po stronie spustu jest przyłożone 12 V.

Dzieje się tak, ponieważ 12 - 7 = 5 V jest minimalną bramką / źródłem lub V._gsto jest wykorzystywane przez mosfet do utrzymania przewodnictwa WŁĄCZONEGO. Ponieważ silnik tutaj jest silnikiem 12 V, nadal obraca się z zasilaniem 7 V.

Jeśli załóżmy, że użyliśmy silnika 50 V z zasilaniem 50 V na odpływie i 12 V na bramce / źródle, możemy zobaczyć tylko 7 V na źródle, co nie powoduje żadnego ruchu na silniku 50 V.

Jeśli jednak zastosujemy około 62 V na bramce / źródle mosfetu. Spowoduje to natychmiastowe włączenie mosfetu, a jego napięcie źródła gwałtownie zacznie rosnąć, aż osiągnie maksymalny poziom spustu 50 V. Ale nawet przy napięciu źródła 50 V, bramka o napięciu 62 V byłaby nadal o 62 - 50 = 12 V wyższa niż źródło, umożliwiając pełne przewodzenie mosfetu i silnika.

Oznacza to, że zaciski źródła bramki w powyższym przykładzie wymagałyby około 50 + 12 = 62 V, aby umożliwić włączenie pełnej prędkości silnika 50 V. Ponieważ pozwala to na prawidłowe podniesienie poziomu napięcia bramki mosfetu do określonego poziomu 12V nad źródłem .

Dlaczego Mosfet nie pali się przy tak wysokich Vgs

To dlatego, że gdy tylko napięcie bramki (V._gs), wysokie napięcie po stronie drenu jest natychmiast włączane i pędzi do zacisku źródła, anulując nadmierne napięcie bramki / źródła. Wreszcie tylko efektywne 12 V lub 10 V jest renderowane na bramce / źródle.

Oznacza to, że jeśli 100 V jest napięciem drenu, a 110 V jest przyłożone do bramki / źródła, 100 V z drenu pędzi do źródła, niwelując zastosowany potencjał bramki / źródła 100 V, pozwalając tylko plus 10 V na obsługę procedur. Dlatego mosfet może działać bezpiecznie bez spalania.

Co to jest Bootstrapping

Z powyższych akapitów zrozumieliśmy, dlaczego dokładnie potrzebujemy około 10 V wyższego niż napięcie drenu, takie jak Vgs dla mosfetów po stronie wysokiego w mostku H.

Sieć obwodów, która realizuje powyższą procedurę, jest nazywana siecią ładującą w obwodzie mostka H.

W standardowym układzie scalonym sterownika mostka H ładowanie odbywa się poprzez dodanie diody i kondensatora wysokiego napięcia z bramką / źródłem mosfetów po stronie wysokiego napięcia.

Gdy mosfet strony niskiej jest włączony (tranzystor FET strony wysokiej jest wyłączony), pin HS i węzeł przełącznika są uziemione. V_ddZasilanie, poprzez kondensator bocznikujący, ładuje kondensator ładowania początkowego przez diodę ładującą i rezystor.

Gdy dolny tranzystor FET jest wyłączony, a wysoki jest włączony, pin HS sterownika bramki i węzeł przełącznika są podłączone do szyny wysokiego napięcia HV, kondensator rozruchowy rozładowuje część zgromadzonego napięcia (zebranego podczas ładowania sekwencja) do tranzystora FET po stronie wysokiej przez piny HO i HS sterownika bramki, jak pokazano na.

Więcej informacji na ten temat można znaleźć do tego artykułu

Wdrażanie praktycznego obwodu

Po dokładnym zapoznaniu się z powyższą koncepcją, możesz nadal być zdezorientowany co do prawidłowej metody implementacji obwodu mostka H? Oto schemat aplikacji dla was wszystkich, z dokładnym opisem.

Działanie powyższego projektu aplikacji mostka H można zrozumieć w następujących punktach:

Kluczowym aspektem jest tutaj wytworzenie napięcia na 10uF tak, aby stało się równe `` pożądanemu napięciu obciążenia '' plus zasilanie 12 V na bramkach tranzystorów MOSFET po stronie wysokiego napięcia podczas ich okresów włączenia.

Przedstawiona konfiguracja wykonuje to bardzo wydajnie.

Wyobraź sobie, że zegar # 1 jest wysoki, a zegar # 2 jest niski (ponieważ mają pracować naprzemiennie).

W tej sytuacji prawy górny mosfet zostaje wyłączony, a lewy dolny mosfet zostaje włączony.

Kondensator 10uF szybko ładuje się do + 12V przez diodę 1N4148 i dolny dren / źródło mosfetu.

W następnej chwili, gdy tylko zegar nr 1 stanie się niski, a zegar nr 2 wysoki, ładowanie po lewej stronie 10uF włącza lewy górny MOSFET, który natychmiast zaczyna przewodzić.

W tej sytuacji jego napięcie drenu zaczyna gwałtownie rosnąć w kierunku źródła, a jednocześnie napięcia zaczynają wciskać się do kondensatora 10uF w taki sposób, że istniejący ładunek + 12V `` siedzi '' nad tymi chwilowo wypychanymi napięciami z zacisku MOSFET.

To dodanie potencjału drenu do kondensatora 10 uF przez zacisk źródła zapewnia, że ​​oba potencjały sumują się i umożliwiają chwilowy potencjał na bramce / źródle tranzystora MOSFET na poziomie około + 12 V powyżej potencjału drenu.

Na przykład, jeśli napięcie drenu zostanie wybrane na 100 V, to 100 V wpycha się do 10 uF, powodując ciągłą kompensację napięcia bramki, które utrzymuje się na poziomie +12 tuż powyżej 100 V.

Mam nadzieję, że pomogło ci to zrozumieć podstawowe działanie bootstrappingu po stronie wysokiej za pomocą dyskretnej sieci diod kondensatorowych.

Wniosek

Z powyższej dyskusji rozumiemy, że ładowanie początkowe jest kluczowe dla wszystkich topologii mostków H, aby umożliwić efektywne włączenie mosfetów po stronie wysokiej.

W tym procesie odpowiednio dobrany kondensator na bramce / emiterze mosfetu strony wysokiej jest ładowany do 12 V wyższego niż zastosowany poziom napięcia drenu. Dopiero gdy tak się stanie, mosfety z wysokim napięciem są w stanie włączyć i zakończyć zamierzone przełączanie typu push-pull podłączonego obciążenia.