H-Bridge Bootstrapping

Το Bootstrapping είναι μια κρίσιμη πτυχή που θα βρείτε σε όλα τα δίκτυα H-bridge ή full bridge με N-channel mosfets.

Πρόκειται για μια διαδικασία στην οποία τα τερματικά πύλης / πηγής των υψηλών πλευρών mosfets αλλάζουν με τάση που είναι τουλάχιστον 10V υψηλότερη από την τάση αποστράγγισης. Δηλαδή, εάν η τάση αποστράγγισης είναι 100V, τότε η πραγματική τάση πύλης / πηγής πρέπει να είναι 110V για να είναι δυνατή η πλήρης μεταφορά του 100V από την αποχέτευση στην πηγή του mosfet υψηλής πλευράς.

Χωρίς μποτών εγκατάσταση μιας τοπολογίας H-bridge με πανομοιότυπα mosfets απλά δεν θα λειτουργήσει.

Θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τις λεπτομέρειες μέσα από μια βήμα προς βήμα εξήγηση.

Ένα δίκτυο bootstrapping καθίσταται απαραίτητο μόνο όταν και οι 4 συσκευές στο H-bridge είναι πανομοιότυπες με την πολικότητά τους. Συνήθως πρόκειται για mosfets κανάλι (το κανάλι 4 p δεν χρησιμοποιείται ποτέ για προφανείς λόγους).

Η ακόλουθη εικόνα εμφανίζει μια τυπική διαμόρφωση H-bridge n-channel

Η κύρια λειτουργία αυτής της τοπολογίας mosfet είναι η εναλλαγή του «φορτίου» ή του πρωτεύοντος μετασχηματιστή σε αυτό το διάγραμμα, με τρόπο flip-flop. Σημασία, για τη δημιουργία εναλλασσόμενου ρεύματος ώθησης-τραβήγματος κατά μήκος της συνδεδεμένης περιέλιξης μετασχηματιστή.

Για να το εφαρμόσετε, τα διαγώνια διατεταγμένα mosfets ενεργοποιούνται / απενεργοποιούνται ταυτόχρονα. Και αυτό εναλλάσσεται εναλλάξ για τα διαγώνια ζεύγη. Για παράδειγμα, τα ζεύγη Q1 / Q4 και Q2 / Q3 ενεργοποιούνται / απενεργοποιούνται μαζί. Όταν το Q1 / Q4 είναι ON, το Q2 / Q3 είναι OFF και το αντίστροφο.

Η παραπάνω ενέργεια αναγκάζει το ρεύμα να αλλάζει εναλλάξ την πολικότητά του κατά την περιέλιξη του συνδεδεμένου μετασχηματιστή. Αυτό με τη σειρά του προκαλεί την επαγόμενη υψηλή τάση κατά μήκος του δευτερεύοντος μετασχηματιστή να αλλάξει επίσης την πολικότητά του, παράγοντας το επιδιωκόμενο εναλλασσόμενο ρεύμα ή εναλλασσόμενη έξοδο στη δευτερεύουσα πλευρά του μετασχηματιστή.

Τι είναι τα Mosfets High-Side Low-Side

Το άνω Q1 / Q2 ονομάζεται mosfets υψηλής πλευράς, και το κάτω Q3 / Q4 ονομάζονται mosfets χαμηλής πλευράς.

Το mosfet χαμηλής πλευράς έχει τα καλώδια αναφοράς τους (τερματικά πηγής) κατάλληλα συνδεδεμένα με τη γραμμή εδάφους. Ωστόσο, το mosfet υψηλής πλευράς δεν έχει άμεση πρόσβαση στη γραμμή εδάφους αναφοράς, αλλά συνδέεται με τον πρωτεύοντα μετασχηματιστή.

Γνωρίζουμε ότι το τερματικό «πηγής» ενός mosfet ή ο πομπός για ένα BJT πρέπει να είναι συνδεδεμένο με την κοινή γραμμή εδάφους (ή την κοινή γραμμή αναφοράς) για να μπορέσει να πραγματοποιήσει και να αλλάξει ένα φορτίο κανονικά.

Σε μια γέφυρα H, καθώς τα ψηλά πλευρικά mosfets δεν μπορούν να έχουν άμεση πρόσβαση στο κοινό έδαφος, η ενεργοποίησή τους αποτελεσματικά με μια κανονική πύλη DC (Vgs) καθίσταται αδύνατη.

Εδώ προκύπτει το πρόβλημα και ένα δίκτυο bootstrap γίνεται κρίσιμο.

Γιατί αυτό είναι ένα πρόβλημα;

Όλοι γνωρίζουμε ότι ένα BJT απαιτεί τουλάχιστον 0,6V μεταξύ της βάσης / του πομπού του για πλήρη συμπεριφορά. Παρομοίως, ένα mosfet απαιτεί περίπου 6 έως 9V κατά μήκος της πύλης / πηγής του για πλήρη συμπεριφορά.

Εδώ, «πλήρως» σημαίνει βέλτιστη μεταφορά της τάσης αποστράγγισης mosfet ή της τάσης συλλέκτη BJT στους αντίστοιχους ακροδέκτες πηγής / εκπομπού τους, ως απόκριση στην είσοδο τάσης πύλης / βάσης.

Σε μια γέφυρα H τα mosfets χαμηλής πλευράς δεν έχουν προβλήματα με τις παραμέτρους μεταγωγής τους και αυτά μπορούν να αλλάξουν κανονικά και βέλτιστα χωρίς κανένα ειδικό κύκλωμα.

Αυτό συμβαίνει επειδή ο πείρος πηγής είναι πάντα μηδενικός ή δυναμικό γείωσης επιτρέποντας στην πύλη να ανυψωθεί στα καθορισμένα 12V ή 10V πάνω από την πηγή. Αυτό πληροί τις απαιτούμενες συνθήκες μεταγωγής του mosfet και του επιτρέπει να τραβήξει πλήρως το φορτίο αποστράγγισης στο επίπεδο της γείωσης.

Τώρα, παρατηρήστε το mosfets ψηλά. Εάν εφαρμόσουμε 12V στην πύλη / πηγή του, τα mosfets αποκρίνονται αρχικά καλά και αρχίζει να οδηγεί την τάση αποστράγγισης προς τους ακροδέκτες της πηγής. Ωστόσο, ενώ αυτό συμβαίνει, λόγω της παρουσίας του φορτίου (πρωτεύουσα περιέλιξη μετασχηματιστή) ο πείρος πηγής αρχίζει να αντιμετωπίζει αυξανόμενο δυναμικό.

Όταν αυτό το δυναμικό αυξάνεται πάνω από 6V, το mosfet αρχίζει να σταματά, επειδή δεν έχει πλέον «χώρο» για να κάνει, και όταν το δυναμικό πηγής φτάσει στα 8V ή 10V, το mosfet σταματά να λειτουργεί.

Ας το καταλάβουμε με τη βοήθεια του ακόλουθου απλού παραδείγματος.

Εδώ το φορτίο μπορεί να φανεί συνδεδεμένο στην πηγή του mosfet, μιμείται μια κατάσταση Hi-side mosfet σε μια γέφυρα H.

Σε αυτό το παράδειγμα, εάν μετρήσετε την τάση στον κινητήρα, θα βρείτε ότι είναι μόλις 7V, αν και 12V εφαρμόζεται στην πλευρά αποστράγγισης.

Αυτό συμβαίνει επειδή το 12 - 7 = 5V είναι η γυμνή ελάχιστη πύλη / πηγή ή V_gsπου χρησιμοποιείται από το mosfet για να διατηρήσει την αγωγιμότητα ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ. Επειδή ο κινητήρας εδώ είναι ένας κινητήρας 12V, περιστρέφεται ακόμα με την παροχή 7V.

Εάν υποθέσουμε ότι χρησιμοποιήσαμε έναν κινητήρα 50V με τροφοδοσία 50V στην αποχέτευση και 12V στην πύλη / πηγή, ενδέχεται να δούμε μόλις 7V στην πηγή, χωρίς να υπάρχει καμία κίνηση στον κινητήρα 50V.

Ωστόσο, εάν εφαρμόσουμε περίπου 62V κατά μήκος της πύλης / πηγής του mosfet. Αυτό θα ανάψει αμέσως το mosfet και η τάση της πηγής του θα αρχίσει γρήγορα να αυξάνεται μέχρι να φτάσει στο μέγιστο επίπεδο αποστράγγισης 50V. Αλλά ακόμη και σε τάση πηγής 50V, η πύλη που είναι 62V θα ήταν ακόμα 62 - 50 = 12V υψηλότερη από την πηγή, επιτρέποντας την πλήρη αγωγή του mosfet και του κινητήρα.

Αυτό σημαίνει ότι τα τερματικά της πηγής πύλης στο παραπάνω παράδειγμα θα απαιτούσαν κάτι περίπου 50 + 12 = 62V για να ενεργοποιηθεί μια πλήρης ταχύτητα switchng στον κινητήρα 50V. Επειδή αυτό επιτρέπει τη σωστή ανύψωση του επιπέδου τάσης πύλης του mosfet στο καθορισμένο επίπεδο 12V πάνω από την πηγή .

Γιατί το Mosfet δεν καίει με τόσο υψηλά Vgs

Είναι επειδή μόλις η τάση της πύλης (V_gsεφαρμόζεται, η υψηλή τάση στην πλευρά αποστράγγισης ενεργοποιείται αμέσως και σπρώχνει στον ακροδέκτη πηγής ακυρώνοντας την υπερβολική τάση πύλης / πηγής. Τέλος, μόνο το πραγματικό 12V ή 10V αποδίδεται στην πύλη / πηγή.

Δηλαδή, εάν το 100V είναι η τάση αποστράγγισης και 110V εφαρμόζεται στην πύλη / πηγή, το 100V από την αποστράγγιση βυθίζεται στην πηγή, ακυρώνοντας το εφαρμοσμένο δυναμικό πύλης / πηγής 100V, επιτρέποντας μόνο το συν 10V να λειτουργήσει τις διαδικασίες. Επομένως, το mosfet μπορεί να λειτουργήσει με ασφάλεια χωρίς καύση.

Τι είναι το Bootstrapping

Από τις παραπάνω παραγράφους καταλάβαμε γιατί ακριβώς χρειαζόμαστε περίπου 10V υψηλότερη από την τάση αποστράγγισης ως τα Vgs για τα υψηλά πλευρικά κουνουπιέρες σε μια γέφυρα H.

Το δίκτυο κυκλωμάτων που ολοκληρώνει την παραπάνω διαδικασία ονομάζεται δίκτυο εκκίνησης σε κύκλωμα H-Bridge.

Στο τυπικό IC του οδηγού H-bridge, το bootstrap επιτυγχάνεται προσθέτοντας μια δίοδο και έναν πυκνωτή υψηλής τάσης με την πύλη / πηγή των υψηλών πλευρών mosfets.

Όταν το mosfet χαμηλής πλευράς είναι ενεργοποιημένο (το FET υψηλής πλευράς είναι απενεργοποιημένο), ο πείρος HS και ο κόμβος του διακόπτη γειώνονται. Το V_δδτροφοδοτεί, μέσω του πυκνωτή παράκαμψης, φορτίζει τον πυκνωτή εκκίνησης μέσω της διόδου και της αντίστασης εκκίνησης.

Όταν το FET χαμηλής πλευράς είναι απενεργοποιημένο και η υψηλή πλευρά είναι ενεργοποιημένη, ο πείρος HS του οδηγού πύλης και ο κόμβος του διακόπτη συνδέονται με το δίαυλο υψηλής τάσης HV, ο πυκνωτής εκκίνησης εκφορτώνει μέρος της αποθηκευμένης τάσης (συλλέγεται κατά τη φόρτιση ακολουθία) στην υψηλή πλευρά FET μέσω των ακίδων HO και HS του οδηγού πύλης όπως φαίνεται στο.

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με αυτό μπορείτε να ανατρέξετε σε αυτό το άρθρο

Εφαρμογή πρακτικού κυκλώματος

Αφού μάθετε διεξοδικά την παραπάνω ιδέα, ίσως να έχετε μπερδευτεί σχετικά με τη σωστή μέθοδο εφαρμογής ενός κυκλώματος H-Bridge; Εδώ είναι ένα κύκλωμα εφαρμογής για όλους εσάς, με μια λεπτομερή περιγραφή.

Η λειτουργία του παραπάνω σχεδιασμού εφαρμογής H-bridge μπορεί να γίνει κατανοητή με τα ακόλουθα σημεία:

Η κρίσιμη πτυχή εδώ είναι να αναπτυχθεί τάση στα 10uF έτσι ώστε να είναι ίση με την «επιθυμητή τάση φορτίου» συν την παροχή 12V στις πύλες των υψηλών πλευρών MOSFET, κατά τη διάρκεια των περιόδων ON.

Η εμφανιζόμενη διαμόρφωση το εκτελεί πολύ αποτελεσματικά.

Φανταστείτε ότι το ρολόι # 1 είναι υψηλό και το ρολόι # 2 είναι χαμηλό (δεδομένου ότι υποτίθεται ότι χρονολογούνται εναλλάξ).

Σε αυτήν την περίπτωση το επάνω δεξί mosfet απενεργοποιείται, ενώ το κάτω αριστερό mosfet είναι ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΟ.

Ο πυκνωτής 10uF φορτίζει γρήγορα έως + 12V μέσω της διόδου 1N4148 και χαμηλότερη αποστράγγιση / πηγή mosfet.

Στην επόμενη στιγμή, μόλις το ρολόι # 1 γίνει χαμηλό και το ρολόι # 2 γίνει υψηλό, η φόρτιση στα αριστερά 10uF ενεργοποιεί το πάνω αριστερό MOSFET το οποίο αρχίζει αμέσως να λειτουργεί.

Σε αυτήν την περίπτωση, η τάση αποστράγγισης αρχίζει να σπρώχνει προς την πηγή της και ταυτόχρονα οι τάσεις αρχίζουν να σπρώχνουν τον πυκνωτή 10uF με τέτοιο τρόπο ώστε η υπάρχουσα φόρτιση + 12V να «κάθεται» πάνω από αυτήν την τάση ώθησης στιγμιαία από τον τερματικό MOSFET.

Αυτή η προσθήκη του δυναμικού αποστράγγισης στον πυκνωτή 10uF μέσω του τερματικού πηγής διασφαλίζει ότι τα δύο δυναμικά προστίθενται και επιτρέπουν στο στιγμιαίο δυναμικό κατά μήκος της πύλης / πηγής του MOSFET να βρίσκεται περίπου + 12V πάνω από το δυναμικό αποστράγγισης.

Για παράδειγμα, εάν η τάση αποστράγγισης έχει επιλεγεί να είναι 100V, τότε αυτό το 100V ωθείται στο 10uF προκαλώντας μια συνεχώς αντισταθμιζόμενη πιθανή τάση πύλης που διατηρείται στα +12 ακριβώς πάνω από τα 100V.

Ελπίζω ότι αυτό σας βοήθησε να καταλάβετε το βασική εργασία της υψηλής πλευράς εκκίνησης χρησιμοποιώντας διακριτό δίκτυο διόδων πυκνωτών.

συμπέρασμα

Από την παραπάνω συζήτηση καταλαβαίνουμε ότι το bootstrapping είναι ζωτικής σημασίας για όλες τις τοπολογίες της γέφυρας H προκειμένου να επιτραπεί η αποτελεσματική ενεργοποίηση των υψηλών πλευρών mosfets.

Σε αυτήν τη διαδικασία, ένας κατάλληλα επιλεγμένος πυκνωτής κατά μήκος της πύλης / του πομπού του High side mosfet φορτίζεται στα 12V υψηλότερα από το εφαρμοζόμενο επίπεδο τάσης αποστράγγισης. Μόνο όταν συμβεί αυτό, τα mosfets υψηλής πλευράς μπορούν να ενεργοποιήσουν και να ολοκληρώσουν την προβλεπόμενη αλλαγή ώθησης του συνδεδεμένου φορτίου.