Bootstrap di H-Bridge

Il bootstrap è un aspetto cruciale che troverai in tutte le reti H-bridge o full bridge con mosfet a canale N.

È un processo in cui i terminali gate / source dei mosfet del lato alto vengono commutati con una tensione di almeno 10 V superiore alla sua tensione di drain. Ciò significa che se la tensione di drain è 100 V, la tensione gate / source effettiva deve essere di 110 V per consentire il trasferimento completo dei 100 V dallo scarico alla sorgente del mosfet lato alto.

Senza bootstrap facility una topologia H-bridge con mosfet identici semplicemente non funzionerà.

Cercheremo di capire i dettagli attraverso una spiegazione passo passo.

Una rete di bootstrap diventa necessaria solo quando tutti e 4 i dispositivi nell'H-bridge sono identici alla loro polarità. Di solito si tratta di mosfet a canale n (4 canali p non vengono mai utilizzati per ovvi motivi).

L'immagine seguente mostra una configurazione H-bridge standard a n canali

La funzione principale di questa topologia mosfet è quella di commutare il 'carico' o il primario del trasformatore in questo diagramma, in modo flip-flop. Significato, per creare una corrente alternata push-pull attraverso l'avvolgimento del trasformatore collegato.

Per implementare ciò, i mosfet disposti in diagonale vengono attivati ​​/ disattivati ​​simultaneamente. E questo viene ciclato alternativamente per le coppie diagonali. Ad esempio, le coppie Q1 / Q4 e Q2 / Q3 vengono attivate / disattivate insieme, alternativamente. Quando Q1 / Q4 è ON, Q2 / Q3 è OFF e viceversa.

L'azione di cui sopra costringe la corrente a cambiare alternativamente la sua polarità attraverso l'avvolgimento del trasformatore collegato. Ciò a sua volta fa sì che l'alta tensione indotta attraverso il secondario del trasformatore cambi anche la sua polarità, producendo l'uscita CA o alternata prevista sul lato secondario del trasformatore.

Cosa sono i mosfet High-Side Low-Side

I Q1 / Q2 superiori sono chiamati mosfet del lato alto e i Q3 / Q4 inferiori sono chiamati mosfet del lato basso.

I mosfet lato basso hanno i loro conduttori di riferimento (terminali di sorgente) opportunamente collegati alla linea di terra. Tuttavia i mosfet high side non hanno accesso diretto alla linea di massa di riferimento, sono invece collegati al primario del trasformatore.

Sappiamo che il terminale 'sorgente' di un mosfet o l'emettitore per un BJT deve essere collegato alla linea di terra comune (o alla linea di riferimento comune) per consentirgli di condurre e commutare normalmente un carico.

In un ponte H, poiché i mosfet del lato alto non sono in grado di accedere direttamente alla massa comune, attivarli efficacemente con un normale gate DC (Vgs) diventa impossibile.

È qui che sorge il problema e una rete di bootstrap diventa cruciale.

Perché questo è un problema?

Sappiamo tutti che un BJT richiede un minimo di 0,6 V tra la sua base / emettitore per condurre completamente. Allo stesso modo, un mosfet richiede da 6 a 9 V attraverso il suo gate / source per condurre completamente.

Qui, 'completamente' significa trasferimento ottimale della tensione di drain del mosfet o della tensione del collettore BJT ai rispettivi terminali di sorgente / emettitore, in risposta all'ingresso della tensione di gate / base.

In un ponte ad H i mosfet del lato basso non hanno problemi con i loro parametri di commutazione e questi possono essere commutati normalmente e in modo ottimale senza alcun circuito speciale.

Questo perché il pin della sorgente è sempre a potenziale zero o di massa, consentendo al gate di essere elevato ai 12V o 10V specificati sopra la sorgente. Ciò soddisfa le condizioni di commutazione richieste del mosfet e gli consente di tirare completamente il carico di scarico a livello del suolo.

Ora, osserva i mosfet del lato alto. Se applichiamo 12V attraverso il suo gate / source, il mosfet inizialmente risponde bene e inizia a condurre la tensione di drain verso i terminali della sorgente. Tuttavia, mentre ciò accade, a causa della presenza del carico (avvolgimento primario del trasformatore) il pin sorgente inizia a sperimentare un potenziale crescente.

Quando questo potenziale supera i 6 V, il mosfet inizia a bloccarsi, perché non ha più 'spazio' per condurre, e nel momento in cui il potenziale della sorgente raggiunge 8V o 10V il mosfet smette di condurre.

Comprendiamolo con l'aiuto del seguente semplice esempio.

Qui il carico può essere visto collegato alla sorgente del mosfet, imitando una condizione di mosfet Hi-side in un ponte H.

In questo esempio, se misuri la tensione ai capi del motore, scoprirai che è di soli 7 V, sebbene 12V sia applicata sul lato di scarico.

Questo perché 12 - 7 = 5V è il minimo gate / source o V_gsche viene utilizzato dal mosfet per mantenere la conduzione attiva. Poiché il motore qui è un motore a 12V, ruota ancora con l'alimentazione a 7V.

Se supponiamo di utilizzare un motore da 50 V con alimentazione 50 V sullo scarico e 12 V sul gate / sorgente, potremmo vedere solo 7 V sulla sorgente, producendo assolutamente nessun movimento sul motore 50 V.

Tuttavia, se applichiamo circa 62 V attraverso il gate / sorgente del mosfet. Ciò accenderebbe istantaneamente il mosfet e la sua tensione di sorgente inizierebbe rapidamente a salire fino a raggiungere il livello di scarico massimo di 50 V. Ma anche con una tensione di sorgente di 50 V, essendo il gate di 62 V, sarebbe comunque 62-50 = 12V superiore alla sorgente, consentendo una conduzione completa del mosfet e del motore.

Ciò implica che i terminali del gate source nell'esempio precedente richiederebbero qualcosa intorno a 50 + 12 = 62V per abilitare una commutazione a piena velocità sul motore da 50V. Perché questo consente al livello di tensione di gate del mosfet di essere adeguatamente elevato al livello 12V specificato sopra la sorgente .

Perché il Mosfet non brucia con Vgs così alti

Perché non appena la tensione di gate (V_gs), l'alta tensione lato drain si accende istantaneamente e si precipita al terminale di source annullando la tensione gate / source in eccesso. Infine, solo il 12V o 10V effettivi viene reso al gate / source.

Ciò significa che se 100 V è la tensione di drain e 110 V viene applicato al gate / source, i 100 V dal drain si precipitano alla sorgente, annullando il potenziale di gate / source applicato 100 V, consentendo solo a più 10 V di eseguire le procedure. Pertanto il mosfet è in grado di operare in sicurezza senza bruciarsi.

Cos'è il bootstrap

Dai paragrafi precedenti abbiamo capito perché esattamente abbiamo bisogno di circa 10 V in più rispetto alla tensione di drain come Vgs per i mosfet high side in un ponte H.

La rete di circuiti che esegue la procedura di cui sopra è chiamata rete di bootstrap in un circuito a ponte H.

Nel circuito integrato del driver H-bridge standard, il bootstrap si ottiene aggiungendo un diodo e un condensatore ad alta tensione con il gate / source dei mosfet high side.

Quando il mosfet low-side è attivato (il FET high-side è disattivato), il pin HS e il nodo dell'interruttore sono messi a terra. La V_ddl'alimentazione, attraverso il condensatore di bypass, carica il condensatore di bootstrap attraverso il diodo e la resistenza di bootstrap.

Quando il FET lato basso è spento e il lato alto è acceso, il pin HS del gate driver e il nodo interruttore vengono collegati al bus ad alta tensione HV il condensatore di bootstrap scarica parte della tensione immagazzinata (raccolta durante la carica sequenza) al FET lato alto attraverso i perni HO e HS del gate driver come mostrato in.

Per maggiori informazioni su questo puoi fare riferimento a questo articolo

Implementazione di un circuito pratico

Dopo aver appreso a fondo il concetto di cui sopra, potresti essere ancora confuso riguardo al metodo corretto di implementazione di un circuito H-Bridge? Quindi ecco un circuito applicativo per tutti voi, con una descrizione elaborata.

Il funzionamento del progetto applicativo H-bridge di cui sopra può essere compreso con i seguenti punti:

L'aspetto cruciale qui è sviluppare una tensione attraverso i 10uF tale che diventi uguale alla 'tensione di carico desiderata' più l'alimentazione 12V ai gate dei MOSFET lato alto, durante i loro periodi di ON.

La configurazione mostrata lo esegue in modo molto efficiente.

Immagina che l'orologio n. 1 sia alto e l'orologio n. 2 sia basso (poiché si suppone che l'orologio funzioni alternativamente).

In questa situazione il mosfet in alto a destra diventa OFF, mentre il mosfet in basso a sinistra è acceso.

Il condensatore da 10uF si carica rapidamente fino a + 12V attraverso il diodo 1N4148 e il drain / source inferiore del mosfet.

Nell'istante successivo, non appena l'orologio n. 1 diventa basso e l'orologio n. 2 diventa alto, la carica attraverso i 10uF di sinistra accende il MOSFET in alto a sinistra che inizia immediatamente a condurre.

In questa situazione la sua tensione di drain inizia a precipitare verso la sua sorgente e simultaneamente le tensioni iniziano a spingere nel condensatore da 10uF in modo tale che la carica esistente + 12V 'si trovi' su queste tensioni di spinta istantanee dal terminale MOSFET.

Questa aggiunta del potenziale di drain nel condensatore da 10uF attraverso il terminale di source garantisce che i due potenziali si sommino e consentano al potenziale istantaneo attraverso gate / source del MOSFET di essere appena a circa + 12V sopra il potenziale di drain.

Ad esempio, se la tensione di drain è selezionata per essere 100V, allora questo 100V spinge nel 10uF causando una tensione di gate potenziale di compensazione continua che si mantiene a +12 appena sopra i 100V.

Spero che questo ti abbia aiutato a capire il file funzionamento di base del bootstrap sul lato alto utilizzando una rete di diodi condensatori discreti.

Conclusione

Dalla discussione sopra si capisce che il bootstrap è cruciale per tutte le topologie H-bridge al fine di consentire un'efficace attivazione dei mosfet high side.

In questo processo un condensatore opportunamente selezionato attraverso il gate / emettitore del mosfet del lato alto viene caricato a 12V più in alto del livello di tensione di drain applicato. Solo quando ciò accade, i mosfet del lato alto sono in grado di accendersi e completare la commutazione push pull prevista del carico collegato.