Εύκολη μονάδα οδήγησης H-Bridge MOSFET για μετατροπείς και κινητήρες

Εάν αναρωτιέστε εάν υπάρχει ένας εύκολος τρόπος για να εφαρμόσετε ένα κύκλωμα οδήγησης H-Bridge χωρίς να χρησιμοποιήσετε το συγκρότημα μποτών στάδιο, η ακόλουθη ιδέα θα λύσει με ακρίβεια το ερώτημά σας.

Σε αυτό το άρθρο μαθαίνουμε πώς να φτιάχνουμε ένα γενικό κύκλωμα οδηγού MOSFET πλήρους γέφυρας ή H-bridge, χρησιμοποιώντας MOSFET καναλιών P και N, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή κυκλωμάτων προγραμμάτων οδήγησης υψηλής απόδοσης για κινητήρες , μετατροπείς , και πολλοί διαφορετικοί μετατροπείς ισχύος.

Η ιδέα απαλλάσσει αποκλειστικά την τυπική τοπολογία οδηγού H-bridge 4 Ν-καναλιών, η οποία εξαρτάται υποχρεωτικά από το περίπλοκο δίκτυο εκκίνησης.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του Standard N-Channel Full Bridge Design

Γνωρίζουμε ότι οι οδηγοί MOSFET με πλήρη γέφυρα επιτυγχάνονται καλύτερα ενσωματώνοντας N-channel MOSFETs και για τις 4 συσκευές στο σύστημα. Το κύριο πλεονέκτημα είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης που παρέχουν αυτά τα συστήματα όσον αφορά τη μεταφορά ισχύος και την απαγωγή θερμότητας.

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι N-channel MOSFET καθορίζονται με ελάχιστη αντίσταση RDSon στους ακροδέκτες της πηγής αποστράγγισης, διασφαλίζοντας την ελάχιστη αντίσταση στο ρεύμα, επιτρέποντας μικρότερη απαγωγή θερμότητας και μικρότερες ψύκτρες στις συσκευές.

Ωστόσο, η εφαρμογή των παραπάνω δεν είναι εύκολη, καθώς και οι 4 συσκευές καναλιών δεν μπορούν να πραγματοποιήσουν και να λειτουργήσουν το κεντρικό φορτίο χωρίς να έχει συνδεθεί με το σχέδιο ένα δίκτυο εκκίνησης διόδων / πυκνωτών.

Το δίκτυο Bootstrapping απαιτεί ορισμένους υπολογισμούς και δύσκολη τοποθέτηση των στοιχείων για να διασφαλιστεί ότι τα συστήματα λειτουργούν σωστά. Αυτό φαίνεται να είναι το κύριο μειονέκτημα μιας τοπολογίας H-bridge 4 καναλιών που βασίζεται σε MOSFET, τα οποία δυσκολεύονται να διαμορφώσουν και να εφαρμόσουν οι κοινοί χρήστες.

Μια εναλλακτική προσέγγιση

Μια εναλλακτική προσέγγιση για τη δημιουργία μιας εύκολης και καθολικής μονάδας οδηγού H-bridge που υπόσχεται υψηλή απόδοση και ωστόσο ξεφορτώνεται το περίπλοκο bootstrapping είναι η εξάλειψη των δύο MOSFET καναλιών N υψηλής πλευράς και η αντικατάστασή τους αντίστοιχων καναλιών P.

Κάποιος μπορεί να αναρωτιέται, αν είναι τόσο εύκολο και αποτελεσματικό, τότε γιατί δεν είναι ένας τυποποιημένος συνιστώμενος σχεδιασμός; Η απάντηση είναι, αν και η προσέγγιση φαίνεται πιο απλή, υπάρχουν μερικά μειονεκτήματα που μπορεί να προκαλέσουν χαμηλότερη απόδοση σε αυτόν τον τύπο πλήρους διαμόρφωσης γέφυρας χρησιμοποιώντας σύνθετο κανάλι P και N MOSFET.

Πρώτον, το Τα P-channel MOSFET συνήθως έχουν υψηλότερη αντίσταση RDSon βαθμολογία σε σύγκριση με τα N-channel MOSFET, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε άνιση απαγωγή θερμότητας στις συσκευές και απρόβλεπτα αποτελέσματα εξόδου. Ο δεύτερος κίνδυνος μπορεί να είναι ένα φαινόμενο πυροδότησης, το οποίο μπορεί να προκαλέσει άμεση ζημιά στις συσκευές.

Τούτου λεχθέντος, είναι πολύ πιο εύκολο να φροντίσετε τα παραπάνω δύο εμπόδια από το σχεδιασμό ενός ζαριού κύκλου εκκίνησης.

Τα δύο παραπάνω ζητήματα μπορούν να εξαλειφθούν με:

1. Επιλογή P-καναλιών MOSFET με τις χαμηλότερες προδιαγραφές RDSon, οι οποίες μπορεί να είναι σχεδόν ίσες με την βαθμολογία RDSon των συμπληρωματικών συσκευών N-channel. Για παράδειγμα στον προτεινόμενο σχεδιασμό μας, μπορείτε να βρείτε το IRF4905 που χρησιμοποιείται για τα MOSFETs καναλιού P, τα οποία έχουν βαθμολογία με εντυπωσιακά χαμηλή αντίσταση RDSon 0,02 Ohms.
2. Αντιμετώπιση της λήψης με την προσθήκη κατάλληλων σταδίων buffer και με χρήση του ταλαντωτή από αξιόπιστη ψηφιακή πηγή.

Ένα πρόγραμμα οδήγησης Easy Universal H-Bridge MOSFET

Η παρακάτω εικόνα δείχνει το κύκλωμα οδήγησης MOSFET H-bridge με βάση το κανάλι P / N-channel, το οποίο φαίνεται να έχει σχεδιαστεί για να παρέχει μέγιστη απόδοση με ελάχιστους κινδύνους.

Πως δουλεύει

Η επεξεργασία του παραπάνω σχεδιασμού H-Bridge είναι σχεδόν βασική. Η ιδέα είναι πιο κατάλληλη για εφαρμογές μετατροπέα για αποτελεσματική μετατροπή χαμηλής ισχύος DC σε εναλλασσόμενο ρεύμα.

Η τροφοδοσία 12V λαμβάνεται από οποιαδήποτε επιθυμητή πηγή ισχύος, όπως από μπαταρία ή ηλιακό πάνελ για εφαρμογή μετατροπέα.

Η τροφοδοσία ρυθμίζεται κατάλληλα χρησιμοποιώντας τον πυκνωτή φίλτρου 4700 uF και μέσω της αντίστασης περιορισμού ρεύματος 22 ohm και ενός zener 12V για πρόσθετη σταθεροποίηση.

Το σταθεροποιημένο DC χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του κυκλώματος ταλαντωτή, διασφαλίζοντας ότι η λειτουργία του δεν επηρεάζεται από τις μεταβατικές μεταβάσεις από τον μετατροπέα.

Η εναλλακτική έξοδος ρολογιού από τον ταλαντωτή τροφοδοτείται στις βάσεις των Q1, Q2 BJTs που είναι τυπικό μικρό τρανζίστορ BC547 σήματος τοποθετημένο ως στάδια buffer / inverter για την οδήγηση του κύριου σταδίου MOSFET με ακρίβεια.

Από προεπιλογή, τα τρανζίστορ BC547 βρίσκονται σε κατάσταση ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗΣ, μέσω των αντίστοιχων δυναμικών αντιστάσεων βάσης.

Αυτό σημαίνει ότι στην κατάσταση αδράνειας, χωρίς τα σήματα ταλαντωτή, τα MOSFET καναλιού P είναι πάντα ενεργοποιημένα, ενώ τα MOSFET καναλιού N είναι πάντα απενεργοποιημένα. Σε αυτήν την περίπτωση, το φορτίο στο κέντρο, το οποίο είναι μια πρωτεύουσα περιέλιξη μετασχηματιστή, δεν λαμβάνει ισχύ και παραμένει απενεργοποιημένο.

Όταν τα σήματα ρολογιού τροφοδοτούνται στα υποδεικνυόμενα σημεία, τα αρνητικά σήματα από τους παλμούς ρολογιού γειώνουν πραγματικά την τάση βάσης των τρανζίστορ BC547 μέσω του πυκνωτή 100 uF.

Αυτό συμβαίνει εναλλάξ, κάνοντας το N-channel MOSFET από έναν από τους βραχίονες της γέφυρας H να ανάψει. Τώρα, δεδομένου ότι το P-channel MOSFET στον άλλο βραχίονα της γέφυρας είναι ήδη ενεργοποιημένο, επιτρέπει σε ένα P-channel MOSFET και ένα N-channel MOSFET στις διαγώνιες πλευρές να ενεργοποιηθεί ταυτόχρονα, προκαλώντας την τάση τροφοδοσίας να ρέει πέρα ​​από αυτά MOSFET και το πρωτεύον του μετασχηματιστή σε μία κατεύθυνση.

Για το δεύτερο εναλλακτικό σήμα ρολογιού, η ίδια ενέργεια επαναλαμβάνεται, αλλά για τον άλλο διαγώνιο βραχίονα της γέφυρας που προκαλεί τη ροή της τροφοδοσίας μέσω του πρωτεύοντος μετασχηματιστή προς την άλλη κατεύθυνση.

Το μοτίβο μεταγωγής είναι ακριβώς παρόμοιο με οποιοδήποτε πρότυπο H-γέφυρα, όπως απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα:

Αυτή η εναλλαγή flip-flop των καναλιών P και N MOSFET στα αριστερά / δεξιά διαγώνια μπράτσα επαναλαμβάνεται σε απόκριση των εναλλακτικών εισόδων σήματος ρολογιού από το στάδιο του ταλαντωτή.

Ως αποτέλεσμα, το πρωτεύον μετασχηματιστή αλλάζει επίσης με το ίδιο μοτίβο προκαλώντας ένα τετράγωνο κύμα AC 12V να ρέει κατά μήκος του πρωτογενούς του, το οποίο μετατρέπεται αντίστοιχα σε 220 V ή 120 V AC τετραγωνικό κύμα κατά μήκος του δευτερεύοντος μετασχηματιστή.

Η συχνότητα εξαρτάται από τη συχνότητα της εισόδου σήματος ταλαντωτή που μπορεί να είναι 50 Hz για έξοδο 220 V και 60 Hz για έξοδο AC 120 V,

Ποιο κύκλωμα ταλαντωτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί

Το σήμα ταλαντωτή μπορεί να προέρχεται από οποιοδήποτε ψηφιακό σχέδιο βασισμένο σε IC, όπως από τα IC 4047, SG3525, TL494, IC 4017/555, IC 4013 κ.λπ.

Ακόμη και τρανζίστορ ασταθή Το κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για το κύκλωμα ταλαντωτή.

Το ακόλουθο παράδειγμα κυκλώματος ταλαντωτή μπορεί ιδανικά να χρησιμοποιηθεί με την παραπάνω αναφερόμενη ενότητα γεφυρών. Ο ταλαντωτής έχει σταθερή έξοδο 50 Hz, μέσω κρυσταλλικού μορφοτροπέα.

Ο πείρος γείωσης του IC2 δεν εμφανίζεται λανθασμένα στο διάγραμμα. Συνδέστε τον ακροδέκτη # 8 του IC2 με τον ακροδέκτη # 8,12 γραμμή του IC1, για να βεβαιωθείτε ότι το IC2 έχει το δυναμικό γείωσης. Αυτή η γείωση πρέπει επίσης να ενωθεί με τη γραμμή γείωσης της μονάδας H-bridge.