Enkel H-Bridge MOSFET-drivarmodul för växelriktare och motorer

Om du undrar om det finns ett enkelt sätt att implementera en H-bridge-drivkrets utan att använda komplexet bootstrapping steg kommer följande idé att lösa din fråga exakt.

I den här artikeln lär vi oss att bygga en universell MOSFET-drivkrets med full-bridge eller H-bridge, med hjälp av P-kanal och N-kanal MOSFET, som kan användas för att skapa högeffektiva drivkretsar för motorer , växelriktare och många olika kraftomvandlare.

Idén blir exklusivt av med den vanliga 4 N-kanaliga H-bridge-drivrutins topologin, som absolut är beroende av det komplexa bootstrapping-nätverket.

Fördelar och nackdelar med standard N-Channel Full Bridge Design

Vi vet att MOSFET-drivrutiner för fullbrygga uppnås bäst genom att integrera N-kanals MOSFET för alla de 4 enheterna i systemet. Den största fördelen är den höga effektiviteten som dessa system tillhandahåller när det gäller kraftöverföring och värmeavledning.

Detta beror på det faktum att N-kanal MOSFET specificeras med minimalt RDSon-motstånd över sina avloppskällans terminaler, vilket garanterar minimalt motstånd mot ström, vilket möjliggör mindre värmeavledning och mindre kylflänsar på enheterna.

Implementering av ovanstående är dock inte lätt, eftersom alla 4-kanalsenheterna inte kan leda och driva den centrala belastningen utan att ha ett diode / kondensator bootstrapping-nätverk anslutet till designen.

Bootstrapping-nätverket kräver vissa beräkningar och knepig placering av komponenterna för att säkerställa att systemen fungerar korrekt. Detta verkar vara den största nackdelen med en 4-kanals MOSFET-baserad H-bridge-topologi, som vanliga användare har svårt att konfigurera och implementera.

En alternativ metod

Ett alternativt tillvägagångssätt för att skapa en enkel och universell H-bridge-drivarmodul som lovar hög effektivitet och ändå blir av med den komplexa bootstrapping är att eliminera de två höga sidorna MOSFET-kanalerna och ersätta dem P-kanals motsvarigheter.

Man kan undra, om det är så enkelt och effektivt, varför är det inte en standardrekommenderad design? Svaret är, även om tillvägagångssättet ser enklare ut, finns det några nackdelar som kan orsaka lägre effektivitet i denna typ av fullbrokonfiguration med P- och N-kanal MOSFET-kombination.

För det första, P-kanal MOSFET: er oftast högre RDSon-motstånd betyg jämfört med N-kanals MOSFET, vilket kan leda till ojämn värmeavledning på enheterna och oförutsägbara resultat. Den andra risken kan vara ett genomskjutningsfenomen som kan orsaka omedelbar skada på enheterna.

Med det sagt är det mycket lättare att ta hand om ovanstående två hinder än att utforma en tuff bootstrapping-krets.

De två ovanstående frågorna kan elimineras genom:

1. Välja P-kanaler MOSFETs med lägsta RDSon-specifikationer, som kan vara nästan lika med RDSon-betyg för de kompletterande N-kanalenheterna. Till exempel i vår föreslagna design kan du hitta IRF4905 som används för P-kanal MOSFET, som är klassade med ett imponerande lågt RDSon-motstånd på 0,02 Ohm.
2. Att motverka shoot-through genom att lägga till lämpliga buffertsteg och genom att använda oscillatorsignal från en pålitlig digital källa.

En enkel Universal H-Bridge MOSFET Driver

Följande bild visar P-kanal / N-kanalbaserad universal H-bridge MOSFET-drivkrets, som verkar vara utformad för att ge maximal effektivitet med minimala risker.

Hur det fungerar

Arbetet med ovanstående H-bridge-design är ganska grundläggande. Idén passar bäst för växelriktartillämpningar för att effektivt konvertera en likström med låg effekt till nätnivå AC.

12V-strömförsörjningen hämtas från valfri strömkälla, t.ex. från ett batteri eller solpanel för en inverterapplikation.

Tillförseln konditioneras på lämpligt sätt med hjälp av 4700 uF-filterkondensatorn och genom det 22 ohm strömbegränsande motståndet och en 12V zener för extra stabilisering.

Den stabiliserade likströmmen används för att driva oscillatorkretsen, så att dess funktion inte påverkas av omkopplingstransienterna från växelriktaren.

Den alternativa klockutgången från oscillatorn matas till baserna för Q1, Q2 BJT: erna, som är standard-liten signal BC547-transistor placerad som buffert / invertersteg för att driva huvud MOSFET-steget med precision.

Som standard är BC547-transistorerna i tillkopplat tillstånd genom sina respektive basresistiva avdelningspotentialer.

Detta innebär att i viloläge, utan oscillatorsignalerna, är P-kanalens MOSFET alltid PÅ, medan N-kanalens MOSFET alltid är AV. I denna situation får belastningen i mitten, som är en transformator primärlindning, ingen ström och förblir avstängd.

När klocksignaler matas till de angivna punkterna jordar de negativa signalerna från klockpulserna faktiskt basspänningen på BC547-transistorerna via 100 uF-kondensatorn.

Detta händer omväxlande och får N-kanal MOSFET från en av armarna på H-bron att sättas PÅ. Eftersom P-kanal MOSFET på den andra armen av bron redan är PÅ, möjliggör en P-kanal MOSFET och en N-kanal MOSFET över diagonalsidorna att sättas PÅ samtidigt, vilket får matningsspänningen att strömma över dessa MOSFET och transformatorns primär i en riktning.

För den andra alternativa klocksignalen upprepas samma åtgärd, men för den andra diagonala armen på bryggan som får matningen att strömma genom transformatorn primärt i den andra riktningen.

Växlingsmönstret liknar exakt vilken H-brygga som helst, som visas i följande bild:

Denna flip-flop-omkoppling av P- och N-kanals MOSFETs över de vänstra / högra diagonala armarna upprepas som svar på de alternativa klocksignalingångarna från oscillatorsteget.

Som ett resultat omkopplas också transformatorns primär i samma mönster och orsakar att en fyrkantig våg AC 12V flödar över sin primära, vilken omvandlas på motsvarande sätt till 220 V eller 120 V AC fyrkantvåg över transformatorn.

Frekvensen är beroende av frekvensen för oscillatorns ingång som kan vara 50 Hz för 220 V utgång och 60 Hz för 120 V AC utgång,

Vilken oscillatorkrets som kan användas

Oscillatorsignalen kan vara från vilken digital IC-baserad design som helst, från IC 4047, SG3525, TL494, IC 4017/555, IC 4013 etc.

Även transistoriserad astabel kan användas effektivt för oscillatorkretsen.

Följande exempel på oscillatorkretsar kan idealiskt användas med den ovan diskuterade fullbromodulen. Oscillatorn har en fast uteffekt på 50 Hz genom en kristallomvandlare.

Jordstiftet på IC2 visas felaktigt inte i diagrammet. Anslut stift nr 8 på IC2 med stift 8,12 linje IC1 för att säkerställa att IC2 får markpotentialen. Denna mark måste också förenas med jordlinjen för H-bryggmodulen.