H-Bridge Bootstrapping

Bootstrapping är en avgörande aspekt som du hittar i alla H-bridge eller full bridge-nätverk med N-kanal mosfets.

Det är en process där grind- / källterminalerna på högsidamosfeterna byts med en spänning som är minst 10V högre än dess avloppsspänning. Betydelse, om avloppsspänningen är 100V, måste den effektiva grind- / källspänningen vara 110V för att möjliggöra full överföring av 100V från avloppet till källan till högsidesmuskelen.

Utan bootstrapping anläggning en H-bridge topologi med identiska myggar fungerar helt enkelt inte.

Vi kommer att försöka förstå detaljerna genom en steg för steg förklaring.

Ett bootstrapping-nätverk blir bara nödvändigt när alla de 4 enheterna i H-bron är identiska med deras polaritet. Vanligtvis är detta n-kanal mosfeter (4 p-kanaler används aldrig av uppenbara skäl).

Följande bild visar en standard H-bryggkonfiguration för n-kanal

Huvudfunktionen för denna mosfet-topologi är att växla 'belastningen' eller transformatorns primär i detta diagram på ett flip-flop-sätt. Det vill säga att skapa en växlande tryck-dra-ström över den anslutna transformatorlindningen.

För att genomföra detta slås de diagonalt anordnade mosfetterna PÅ / AV samtidigt. Och detta cyklas växelvis för de diagonala paren. Till exempel är paren Q1 / Q4 och Q2 / Q3 tillsammans kopplade till / från, växelvis. När Q1 / Q4 är PÅ är Q2 / Q3 AV och vice versa.

Ovanstående åtgärd tvingar strömmen att växelvis ändra sin polaritet över den anslutna transformatorlindningen. Detta medför i sin tur att den inducerade högspänningen över transformatorns sekundär också ändrar sin polaritet, vilket producerar den avsedda växelströmmen eller alternerande utgången på transformatorns sekundära sida.

Vad är High-Side Low-Side Mosfets

Den övre Q1 / Q2 kallas högsidamosfeter, och den nedre Q3 / Q4 kallas lågsidamosfeter.

Lågsidamosfeten har sina referenskablar (källterminaler) som är lämpligt anslutna till jordlinjen. Men den höga sidan mosfet har ingen tillgång till referensjordlinjen direkt, utan är anslutna till transformatorns primära.

Vi vet att en källterminal för en mosfet eller sändaren för en BJT måste anslutas till den gemensamma jordlinjen (eller den gemensamma referenslinjen) för att den ska kunna leda och växla en belastning normalt.

I en H-bro eftersom de höga sidmosfeterna inte kan komma åt den gemensamma marken direkt, blir det omöjligt att slå dem på effektivt med en normal grind DC (Vgs).

Det är här problemet uppstår och ett bootstrapping-nätverk blir avgörande.

Varför är detta ett problem?

Vi vet alla att en BJT kräver minst 0,6 V mellan basen / sändaren för att kunna leda helt. På samma sätt kräver en mosfet cirka 6 till 9V över sin grind / källa för att kunna leda helt.

Här betyder 'helt' optimal överföring av mosfets avloppsspänning eller BJT-kollektorspänningen till deras respektive käll- / emitterterminaler, som svar på grind / basspänningsingång.

I en H-brygga har lågmusklerna inga problem med deras omkopplingsparametrar och dessa kan växlas normalt och optimalt utan några speciella kretsar.

Detta beror på att källstiftet alltid har noll eller jordpotential så att grinden kan höjas vid den angivna 12V eller 10V ovanför källan. Detta uppfyller de nödvändiga omkopplingsvillkoren för mosfet och gör det möjligt att dra avloppsbelastningen helt till marknivå.

Observera nu mosfeterna på högsidan. Om vi ​​applicerar 12V över dess grind / källa, svarar mosfetterna initialt bra och börjar leda avloppsspänningen mot källanslutningarna. Men medan detta händer, på grund av närvaron av belastningen (transformator primärlindning) börjar källstiftet att uppleva en stigande potential.

När denna potential stiger över 6V, börjar mosfetten att stanna, eftersom den inte har mer 'utrymme' att leda, och när källpotentialen når 8V eller 10V slutar mosfeten bara att leda.

Låt oss förstå detta med hjälp av följande enkla exempel.

Här kan lasten ses ansluten vid källan till mosfet, vilket imiterar ett högsidigt mosfet-tillstånd i en H-bro.

I det här exemplet, om du mäter spänningen över motorn kommer du att finna att den bara är 7V, även om 12V appliceras på avloppssidan.

Detta beror på att 12 - 7 = 5V är den minimala grinden / källan eller V._gssom används av mosfet för att hålla ledningen PÅ. Eftersom motorn här är en 12V-motor roterar den fortfarande med 7V-matningen.

Om vi ​​antar att vi använde en 50V-motor med 50V-matning på avloppet och 12V på grinden / källan, kan vi se bara 7V på källan, vilket ger absolut ingen rörelse på 50V-motorn.

Men om vi applicerar runt 62V över porten / källan till Mosfet. Detta skulle omedelbart sätta på mosfet och dess källspänning skulle snabbt börja stiga tills den når upp till den maximala 50V avloppsnivån. Men även vid 50V källspänning skulle grinden vara 62V fortfarande 62 - 50 = 12V högre än källan, vilket möjliggör en fullständig ledning av mosfet och motorn.

Detta innebär att grindkällans terminaler i exemplet ovan skulle kräva något runt 50 + 12 = 62V för att möjliggöra en fullvarvsväxling på 50V-motorn. Eftersom detta gör att mosfets grindspänningsnivå kan höjas ordentligt vid den angivna 12V-nivån ovanför källan .

Varför brinner inte Mosfet med så höga Vgs

Det beror på att så snart grindspänningen (V._gs) appliceras, kopplas avloppssidans högspänning omedelbart till och den rusar mot källterminalen och avbryter överflödig grind / källspänning. Slutligen återges endast de effektiva 12V eller 10V vid grinden / källan.

Det betyder att om 100V är avloppsspänningen och 110V appliceras på grinden / källan, rusar 100V från avloppet mot källan, vilket gör att den applicerade grinden / källpotentialen 100V blir ogiltig, vilket endast tillåter plus 10V att hantera procedurerna. Därför kan mosfet fungera säkert utan att brinna.

Vad är Bootstrapping

Från ovanstående stycken förstod vi varför exakt vi behöver cirka 10V högre än avloppsspänningen som Vgs för högsidamosfeter i en H-bro.

Kretsnätverket som utför ovanstående procedur kallas ett bootstrapping-nätverk i en H-bryggkrets.

I standard H-bryggdrivenhet IC uppnås bootstrapping genom att lägga till en diod och en högspänningskondensator med grinden / källan till högsidamosfetterna.

När mosfet på lågsidan är påslagen (FET på högsidan är av) jordas HS-stiftet och omkopplarnoden. V_ddmatning, genom bypasskondensatorn, laddar bootstrapkondensatorn genom bootstrapdioden och motståndet.

När FET på lågsidan är avstängd och högsidan är på kopplas portdrivarens HS-stift och omkopplarnoden till högspänningsbussen HV. Bootstrap-kondensatorn laddar ur en del av den lagrade spänningen (samlas under laddningen sekvensen) till högsidan FET genom HO- och HS-stiften på grinddrivaren som visas i.

För mer information om detta kan du hänvisa till den här artikeln

Implementera en praktisk krets

Efter att ha lärt dig konceptet ovan noggrant kan du fortfarande vara förvirrad angående rätt metod för att implementera en H-Bridge-krets? Så här är en applikationskrets för er alla, med en detaljerad beskrivning.

Arbetet med ovanstående H-bridge-applikationsdesign kan förstås med följande punkter:

Den avgörande aspekten här är att utveckla en spänning över 10uF så att den blir lika med den 'önskade belastningsspänningen' plus matningen 12V vid portarna till MOSFETs på högsidan, under deras PÅ-perioder.

Den visade konfigurationen utför detta mycket effektivt.

Föreställ dig att klocka 1 är hög och klocka 2 är låg (eftersom de antas klocka växelvis).

I den här situationen blir den övre högra mosfeten AV, medan den nedre vänstra mosfetten är PÅ.

Kondensatorn 10uF laddar snabbt upp till + 12V genom 1N4148-dioden och nedre mosfetavloppet / -källan.

I nästa ögonblick, så snart klocka 1 blir låg och klocka 2 blir hög, växlar laddningen över den vänstra 10uF PÅ den övre vänstra MOSFET som omedelbart börjar leda.

I denna situation börjar avloppsspänningen rusa mot källan, och samtidigt börjar spänningarna att trycka in i 10uF-kondensatorn på ett sådant sätt att den befintliga laddningen + 12V 'sitter' över denna omedelbart tryckande spänning från MOSFET-terminalen.

Detta tillägg av avloppspotentialen i 10uF-kondensatorn genom källterminalen säkerställer att de två potentialerna ökar och möjliggör att den ögonblickliga potentialen över grinden / källan till MOSFET ligger precis runt + 12V över avloppspotentialen.

Till exempel om avloppsspänningen väljs till 100V, trycker denna 100V in i 10uF vilket orsakar en kontinuerligt kompenserande potentiell grindspänning som bibehålls vid +12 strax över 100V.

Jag hoppas att detta hjälpte dig att förstå grundläggande bearbetning av högsidan bootstrapping använder diskret kondensatordiodnätverk.

Slutsats

Från ovanstående diskussion förstår vi att bootstrapping är avgörande för alla H-bridge-topologier för att möjliggöra effektiv påslagning av högsidamosfeterna.

I denna process laddas en lämpligt vald kondensator över grinden / emittern på högsidamosfetten till 12V högre än den applicerade avloppsspänningsnivån. Först när detta händer kan högmusklerna slå PÅ och slutföra den avsedda push-pull-omkopplingen för den anslutna lasten.