Eenvoudige H-Bridge MOSFET-stuurprogrammamodule voor omvormers en motoren

Als u zich afvraagt ​​of er een gemakkelijke manier is om een ​​H-bridge-stuurcircuit te implementeren zonder het complex te gebruiken bootstrapping fase, zal het volgende idee uw vraag precies oplossen.

In dit artikel leren we hoe we een universeel full-bridge of H-bridge MOSFET-stuurcircuit kunnen bouwen, met behulp van P-kanaal en N-kanaal MOSFET's, die kunnen worden gebruikt voor het maken van zeer efficiënte stuurcircuits voor motoren ​ omvormers , en veel verschillende stroomomvormers.

Het idee schrapt exclusief de standaard 4 N-kanaals H-bridge driver-topologie, die absoluut afhankelijk is van het complexe bootstrapping-netwerk.

Voordelen en nadelen van standaard N-Channel Full Bridge-ontwerp

We weten dat MOSFET-stuurprogramma's met een volledige brug het beste kunnen worden bereikt door N-kanaal MOSFET's op te nemen voor alle 4 apparaten in het systeem. Het belangrijkste voordeel is de hoge mate van efficiëntie die deze systemen bieden in termen van vermogensoverdracht en warmteafvoer.

Dit komt door het feit dat N-kanaals MOSFET's zijn gespecificeerd met minimale RDSon-weerstand over hun afvoerbronaansluitingen, waardoor minimale stroomweerstand wordt gegarandeerd, waardoor kleinere warmteafvoer en kleinere koellichamen op de apparaten mogelijk zijn.

Het implementeren van het bovenstaande is echter niet eenvoudig, aangezien alle 4-kanaals apparaten de centrale belasting niet kunnen geleiden en bedienen zonder een diode / condensator-bootstrapping-netwerk dat aan het ontwerp is bevestigd.

Bootstrapping-netwerk vereist wat berekeningen en lastige plaatsing van de componenten om ervoor te zorgen dat de systemen correct werken. Dit lijkt het grootste nadeel te zijn van een 4-kanaals MOSFET-gebaseerde H-bridge-topologie, die gewone gebruikers moeilijk kunnen configureren en implementeren.

Een alternatieve benadering

Een alternatieve benadering voor het maken van een eenvoudige en universele H-bridge-stuurprogrammamodule die een hoge efficiëntie belooft en toch de complexe bootstrapping elimineert, is door de twee N-kanaals MOSFET's aan de hoge kant te elimineren en ze te vervangen door P-kanaal-tegenhangers.

Je kunt je afvragen, als het zo gemakkelijk en effectief is, waarom is het dan geen standaard aanbevolen ontwerp? Het antwoord is dat, hoewel de aanpak er eenvoudiger uitziet, er een paar nadelen zijn die een lagere efficiëntie kunnen veroorzaken in dit type volledige brugconfiguratie met P- en N-kanaal MOSFET-combo.

Ten eerste de P-kanaal-MOSFET's hebben meestal een hogere RDSon-weerstand beoordeling vergeleken met N-kanaals MOSFET's, wat kan resulteren in ongelijkmatige warmteafvoer op de apparaten en onvoorspelbare outputresultaten. Het tweede gevaar kan een doorschietfenomeen zijn, dat onmiddellijke schade aan de apparaten kan veroorzaken.

Dat gezegd hebbende, is het veel gemakkelijker om voor de bovenstaande twee hindernissen te zorgen dan het ontwerpen van een lastig bootstrapping-circuit.

De twee bovenstaande problemen kunnen worden opgelost door:

1. Het selecteren van MOSFET's met P-kanalen met de laagste RDSon-specificaties, die mogelijk bijna gelijk zijn aan de RDSon-classificatie van de complementaire N-kanaals apparaten. In ons voorgestelde ontwerp vindt u bijvoorbeeld IRF4905 die wordt gebruikt voor de P-kanaal MOSFET's, die worden beoordeeld met een indrukwekkend lage RDSon-weerstand van 0,02 Ohm.
2. Het doorschieten tegengaan door geschikte buffertrappen toe te voegen en door een oscillatorsignaal van een betrouwbare digitale bron te gebruiken.

Een eenvoudige universele H-Bridge MOSFET-driver

De volgende afbeelding toont het op P-kanaal / N-kanaal gebaseerde universele H-brug MOSFET-stuurcircuit, dat lijkt te zijn ontworpen om maximale efficiëntie te bieden met minimale risico's.

Hoe het werkt

De werking van het bovenstaande H-brug-ontwerp is vrij eenvoudig. Het idee is het meest geschikt voor omvormertoepassingen voor het efficiënt omzetten van een laagvermogen gelijkstroom naar wisselstroom op netspanning.

De 12V-voeding wordt verkregen uit elke gewenste stroombron, zoals van een accu of zonnepaneel voor een omvormertoepassing.

De voeding wordt op de juiste manier geconditioneerd met behulp van de 4700 uF filtercondensator en via de 22 ohm stroombegrenzende weerstand en een 12V zener voor extra stabilisatie.

De gestabiliseerde gelijkstroom wordt gebruikt voor het voeden van het oscillatorcircuit en zorgt ervoor dat de werking ervan niet wordt beïnvloed door de schakeltransiënten van de omvormer.

De alternatieve klokuitvoer van de oscillator wordt naar de bases van de Q1, Q2 BJT's gevoerd, dit zijn standaard BC547-transistors met een klein signaal die zijn gepositioneerd als buffer / invertertrappen om de hoofd-MOSFET-trap met precisie aan te sturen.

Standaard zijn de BC547-transistors ingeschakeld, via hun respectieve basis-resistieve verdelerpotentialen.

Dit betekent dat de in rusttoestand, zonder de oscillatorsignalen, de P-kanaal MOSFET's altijd AAN staan, terwijl de N-kanaal MOSFET's altijd UIT staan. In deze situatie krijgt de belasting in het midden, die een primaire wikkeling van de transformator is, geen stroom en blijft deze uitgeschakeld.

Wanneer kloksignalen naar de aangegeven punten worden gevoerd, aarden de negatieve signalen van de klokpulsen feitelijk de basisspanning van de BC547 transistors via de 100 uF condensator.

Dit gebeurt afwisselend, waardoor de N-kanaal MOSFET van een van de armen van de H-brug wordt ingeschakeld. Nu, aangezien de P-kanaal MOSFET op de andere arm van de brug al is ingeschakeld, kan één P-kanaal MOSFET en één N-kanaal MOSFET over de diagonale zijden gelijktijdig worden ingeschakeld, waardoor de voedingsspanning over deze MOSFET's en de primaire van de transformator in één richting.

Voor het tweede alternatieve kloksignaal herhaalt dezelfde actie zich, maar voor de andere diagonale arm van de brug waardoor de voeding door de primaire transformator in de andere richting stroomt.

Het schakelpatroon is exact gelijk aan elke standaard H-brug, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

Deze flip-flop-omschakeling van de P- en N-kanaal-MOSFET's over de linker / rechter diagonale armen blijft zich herhalen in reactie op de alternatieve kloksignaalingangen van de oscillatortrap.

Als gevolg hiervan wordt de primaire transformator ook in hetzelfde patroon geschakeld, waardoor een blokgolf AC 12V over zijn primaire stroom stroomt, die overeenkomstig wordt omgezet in 220 V of 120 V AC blokgolf over de secundaire van de transformator.

De frequentie is afhankelijk van de frequentie van de oscillatorsignaalingang die 50 Hz kan zijn voor 220 V-uitgang en 60 Hz voor 120 V AC-uitgang,

Welk oscillatorcircuit kan worden gebruikt

Het oscillatorsignaal kan van elk digitaal IC-gebaseerd ontwerp zijn, zoals van de IC 4047, SG3525, TL494, IC 4017/555, IC 4013 enz.

Zelfs getransistoriseerde astable circuit kan effectief worden gebruikt voor het oscillatorcircuit.

Het volgende voorbeeld van een oscillatorcircuit kan idealiter worden gebruikt met de hierboven besproken volledige brugmodule. De oscillator heeft een output van 50 Hz via een kristaltransducer.

De aardingspin van IC2 wordt ten onrechte niet weergegeven in het diagram. Verbind pin # 8 van de IC2 met pin # 8,12 lijn van IC1, om ervoor te zorgen dat IC2 het aardpotentiaal krijgt. Deze aarde moet ook worden samengevoegd met de aardleiding van de H-bridge module.