H-Bridge Bootstrapping

Bootstrapping on tärkeä näkökohta, jonka löydät kaikista H-silta- tai full bridge -verkoista, joissa on N-kanavaiset mosfetit.

Se on prosessi, jossa korkean sivun mosfettien portti / lähdeliittimet kytketään jännitteellä, joka on vähintään 10 V korkeampi kuin sen tyhjennysjännite. Jos tyhjennysjännite on 100 V, tehollisen hila- / lähdejännitteen on oltava 110 V, jotta 100 V voidaan siirtää kokonaan viemäristä korkean sivun mosfetin lähteeseen.

Ilman bootstrapping H-sillan topologia, jossa on identtiset mosfetit, ei yksinkertaisesti toimi.

Yritämme ymmärtää yksityiskohdat vaiheittaisten selitysten avulla.

Käynnistysverkko on tarpeen vain, kun kaikki H-sillan neljä laitetta ovat identtiset napaisuudensa kanssa. Yleensä nämä ovat n-kanavan mosfettejä (4 p-kanavaa ei koskaan käytetä ilmeisistä syistä).

Seuraava kuva esittää tavallisen n-kanavan H-sillan kokoonpanon

Tämän mosfet-topologian päätehtävä on vaihtaa tässä kaaviossa oleva `` kuorma '' tai muuntajan ensisijainen kiikku. Tarkoitus luoda vuorotteleva työntövirta kytketyn muuntajakäämityksen yli.

Tämän toteuttamiseksi diagonaalisesti järjestetyt mosfetit kytketään päälle / pois päältä samanaikaisesti. Ja tämä ajetaan vuorotellen diagonaalipareille. Esimerkiksi parit Q1 / Q4 ja Q2 / Q3 kytketään yhdessä päälle / pois vuorotellen. Kun Q1 / Q4 on PÄÄLLÄ, Q2 / Q3 on POIS PÄÄLTÄ ja päinvastoin.

Edellä mainittu toiminta pakottaa virran vaihtamaan vuorotellen napaisuuttaan yhdistetyn muuntajakäämityksen yli. Tämä puolestaan ​​saa aikaan muuntajan toisiopuolen läpi indusoidun korkean jännitteen muuttamaan polaarisuuttaan tuottamalla tarkoitetun vaihtovirtalähteen tai vaihtovirran lähdön muuntajan toisiopuolelle.

Mitä ovat korkean puolen matalat mosfetit

Ylempää Q1 / Q2 kutsutaan korkean sivun mosfeteiksi ja alempaa Q3 / Q4 kutsutaan matalaksi sivuksi.

Matalan puolen mosfetin referenssijohdot (lähdeliittimet) on yhdistetty asianmukaisesti maadoitusjohtoon. Korkealla puolella olevalla mosfetillä ei kuitenkaan ole pääsyä suoraan vertailumaadoitukseen, vaan ne on kytketty muuntajaan.

Tiedämme, että mosfetin '' lähde '' -pääte tai BJT: n emitterin on oltava kytketty yhteiseen maajohtoon (tai yhteiseen vertailulinjaan), jotta se voi johtaa ja vaihtaa kuormaa normaalisti.

H-sillassa, koska korkeat sivusuunnassa olevat mosfetit eivät pääse suoraan yhteiseen maahan, niiden tehokkaaksi kytkeminen päälle normaalilla portti-DC: llä (Vgs) on mahdotonta.

Tällöin ongelma syntyy, ja käynnistysverkoista tulee ratkaiseva.

Miksi tämä on ongelma?

Me kaikki tiedämme, että BJT vaatii vähintään 0,6 V: n alustan / emitterin välillä toimiakseen täysin. Samoin mosfet tarvitsee noin 6 - 9 V portin / lähteen yli toimiakseen täysin.

Tässä 'täysin' tarkoittaa mosfetin tyhjennysjännitteen tai BJT-kollektorijännitteen optimaalista siirtämistä vastaaviin lähde / emitteriliittimiin vasteena portin / kantajännitteen tuloon.

H-sillassa matalien sivujen mosfeteillä ei ole ongelmia kytkentäparametriensa kanssa, ja ne voidaan kytkeä normaalisti ja optimaalisesti ilman erityisiä piirejä.

Tämä johtuu siitä, että lähdetappi on aina nollassa tai maadoituspotentiaalissa, jolloin portti voidaan nostaa määritetylle 12 V: n tai 10 V: n lähteen yläpuolelle. Tämä täyttää vaaditut mosfetin kytkentäolosuhteet ja antaa sen vetää tyhjennyskuorma kokonaan maanpinnalle.

Tarkkaile nyt korkeita sivusuojia. Jos käytämme 12 V: n portin / lähteen poikki, mosfetit reagoivat aluksi hyvin ja alkavat johtaa tyhjennysjännitettä lähdeliittimiin. Vaikka näin tapahtuu, kuorman (muuntajan ensiökäämi) läsnäolon vuoksi lähdetapilla alkaa olla potentiaalin nousu.

Kun tämä potentiaali nousee yli 6 V: n, mosfet alkaa pysähtyä, koska sillä ei ole enää `` tilaa '' johtaa, ja kun lähteen potentiaali saavuttaa 8 V tai 10 V, mosfet vain lakkaa johtamasta.

Ymmärretään tämä seuraavan yksinkertaisen esimerkin avulla.

Tässä kuormitus voidaan nähdä yhdistettynä mosfetin lähteellä, jäljittelemällä Hi-puolen mosfet-tilaa H-sillassa.

Tässä esimerkissä, jos mitat moottorin jännitteen, löydät sen olevan vain 7 V, vaikka tyhjennyspuolella on 12 V.

Tämä johtuu siitä, että 12-7 = 5V on vähimmäisportti / -lähde tai V_gsjota mosfet käyttää hyväksi pitääkseen johtamisen päällä. Koska moottori on 12 V moottori, se pyörii edelleen 7 V: n virtalähteen kanssa.

Jos oletetaan, että käytimme 50 V: n moottoria, jossa 50 V: n syöttö viemäriin ja 12 V: n porttiin / lähteeseen, voimme nähdä vain 7 V: n lähteellä, joka ei tuota mitään liikettä 50 V: n moottorissa.

Jos kuitenkin käytämme noin 62 V: n mosfetin portin / lähteen poikki. Tämä kytkeisi MOSFETin heti päälle, ja sen lähdejännite alkaisi nopeasti nousta, kunnes se saavuttaa 50 V: n suurimman tyhjennystason. Mutta jopa 50 V: n lähdejännitteellä portti, joka on 62 V, olisi silti 62-50 = 12 V korkeampi kuin lähde, mikä mahdollistaisi mosfetin ja moottorin täydellisen johtamisen.

Tämä tarkoittaa, että yllä olevassa esimerkissä porttilähteen liittimet vaativat jotain noin 50 + 12 = 62 V, jotta 50 V: n moottorin täysi nopeuden kytkentä olisi mahdollista. Koska tämä mahdollistaa mosfetin portin jännitetason nostamisen oikein määritetylle 12 V: n tasolle lähteen yläpuolella .

Miksi Mosfet ei pala niin korkealla Vgs: llä

Se johtuu siitä, että heti kun portin jännite (V_gs), tyhjennyspuolen korkea jännite kytketään välittömästi PÄÄLLE ja se hyökkää lähdeliittimeen peruuttaen ylimääräisen hila / lähdejännitteen. Lopuksi vain tehollinen 12 V tai 10 V renderöidään portissa / lähteessä.

Jos 100 V on tyhjennysjännite ja 110 V syötetään portille / lähteelle, 100 V tyhjennyksestä syöksyy lähteelle, mitätöi sovelletun portin / lähteen potentiaalin 100 V, jolloin vain plus 10 V saa käyttää toimenpiteitä. Siksi mosfet pystyy toimimaan turvallisesti polttamatta.

Mikä on Bootstrapping

Yllä olevista kohdista ymmärrimme, miksi tarvitsemme noin 10 V: n korkeamman kuin tyhjennysjännitteen Vgs: nä H-sillan korkeille sivumoduuleille.

Piiriverkkoa, joka suorittaa yllä olevan toimenpiteen, kutsutaan käynnistysverkoksi H-sillan piirissä.

Tavallisessa H-sillan ohjain-IC: ssä käynnistysvyö saavutetaan lisäämällä diodi ja suurjännitekondensaattori korkean sivun mosfettien portin / lähteen kanssa.

Kun matalan sivun mosfet on kytketty päälle (korkean puolen FET on pois päältä), HS-nasta ja kytkin solmu maadoitetaan. V_ddsyöttö ohituskondensaattorin kautta lataa bootstrap-kondensaattorin bootstrap-diodin ja vastuksen kautta.

Kun matalan puolen FET kytketään pois päältä ja yläpuoli on päällä, porttiohjaimen HS-tappi ja kytkinsolmu kytkeytyvät suurjänniteväylään HV, bootstrap-kondensaattori purkaa osan tallennetusta jännitteestä (kerätty latauksen aikana) sekvenssi) yläpuoliseen FET-porttiin porttiohjaimen HO- ja HS-nastojen kautta, kuten kuvassa on esitetty.

Saat lisätietoja tästä tähän artikkeliin

Käytännön piirin toteuttaminen

Kun olet oppinut yllä olevan käsitteen perusteellisesti, saatat silti olla hämmentynyt siitä, miten H-Bridge-piiri toteutetaan oikein? Joten tässä on sovelluspiiri kaikille teille, yksityiskohtaisella kuvauksella.

Edellä olevan H-sillan sovellussuunnittelun toiminta voidaan ymmärtää seuraavilla kohdilla:

Keskeinen näkökohta tässä on kehittää jännite 10uF: n yli siten, että siitä tulee yhtä suuri kuin 'haluttu kuormitusjännite' plus plus 12 V: n syöttö korkean sivun MOSFET-porttien portissa, niiden ON-jaksojen aikana.

Esitetty kokoonpano toteuttaa tämän erittäin tehokkaasti.

Kuvittele, että kello # 1 on korkea ja kello # 2 on matala (koska niiden oletetaan olevan vuorotellen kelluvia).

Tässä tilanteessa oikean yläkulman mosfet sammuu, kun taas vasen alempi mosfet kytketään päälle.

10uF-kondensaattori lataa nopeasti + 12 V: n 1N4148-diodin ja alemman mosfetin tyhjennyksen / lähteen kautta.

Seuraavassa hetkessä, heti kun kello 1 laskee matalaksi ja kello 2 nousee korkeaksi, vasemman 10uF: n lataus kytkeytyy päälle vasemmassa yläkulmassa olevaan MOSFETiin, joka alkaa heti johtaa.

Tässä tilanteessa sen tyhjennysjännite alkaa tunkeutua lähteensä kohti, ja samanaikaisesti jännitteet alkavat työntyä 10uF-kondensaattoriin siten, että nykyinen varaus + 12 V 'istuu' tämän hetkellisen MOSFET-liitännästä tulevan jännitteen yli.

Tämä tyhjennyspotentiaalin lisääminen 10uF-kondensaattoriin lähdeliittimen kautta varmistaa, että kaksi potentiaalia summautuvat yhteen ja mahdollistavat hetkellisen potentiaalin MOSFETin portin / lähteen poikki olevan vain noin + 12 V tyhjennyspotentiaalin yläpuolella.

Esimerkiksi jos tyhjennysjännitteeksi valitaan 100 V, niin tämä 100 V työntyy 10uF: een aiheuttaen jatkuvasti kompensoivan potentiaalisen hilajännitteen, joka pysyy +12: ssa hieman yli 100 V: n.

Toivon, että tämä auttoi sinua ymmärtämään korkean sivupohjan hihnan perustyö käyttämällä erillistä kondensaattoridiodiverkkoa.

Johtopäätös

Yllä olevasta keskustelusta ymmärrämme, että käynnistyshihna on ratkaisevan tärkeää kaikille H-sillan topologioille, jotta korkean sivun mosfetit voidaan kytkeä tehokkaasti päälle.

Tässä prosessissa asianmukaisesti valittu kondensaattori korkean puolen mosfetin portin / emitterin poikki ladataan 12 V: iin korkeammaksi kuin käytetty tyhjennysjännitetaso. Vain silloin, kun näin tapahtuu, korkeat sivusuunnassa olevat kojeet voivat kytkeytyä päälle ja suorittaa liitetyn kuorman suunnitellun työntövetokytkennän loppuun.