H-Bridge Bootstrapping

Bootstrapping is een cruciaal aspect dat u terugvindt in alle H-bridge- of full-bridge-netwerken met N-kanaals mosfets.

Het is een proces waarbij de gate / source-aansluitingen van de high side mosfets worden geschakeld met een spanning die minstens 10V hoger is dan de afvoerspanning. Dit betekent dat als de afvoerspanning 100V is, de effectieve gate / source-spanning 110V moet zijn om de volledige overdracht van de 100V van de afvoer naar de bron van de high side mosfet mogelijk te maken.

Zonder bootstrapping faciliteit zal een H-brug-topologie met identieke mosfets gewoon niet werken.

We zullen proberen de details te begrijpen door middel van een stapsgewijze uitleg.

Een bootstrapping-netwerk is alleen nodig als alle 4 apparaten in de H-bridge identiek zijn met hun polariteit. Gewoonlijk zijn dit n-kanaals mosfets (4 p-kanaal wordt om voor de hand liggende redenen nooit gebruikt).

De volgende afbeelding toont een standaard n-kanaals H-bridge-configuratie

De belangrijkste functie van deze mosfet-topologie is om de 'belasting' of de transformator primair in dit diagram op een flip-flop-manier te schakelen. Dit betekent dat er een afwisselende push-pull-stroom ontstaat over de aangesloten transformatorwikkeling.

Om dit te realiseren worden de diagonaal geplaatste mosfets gelijktijdig AAN / UIT geschakeld. En dit wordt afwisselend gefietst voor de diagonale paren. Zo worden de paren Q1 / Q4 en Q2 / Q3 samen afwisselend AAN / UIT geschakeld. Als Q1 / Q4 AAN is, is Q2 / Q3 UIT en vice versa.

De bovenstaande actie dwingt de stroom om afwisselend de polariteit over de aangesloten transformatorwikkeling te veranderen. Dit zorgt er op zijn beurt voor dat de geïnduceerde hoogspanning over de secundaire zijde van de transformator ook van polariteit verandert, waardoor de beoogde wisselstroom of wisselstroom aan de secundaire zijde van de transformator wordt geproduceerd.

Wat zijn high-side low-side mosfets

De bovenste Q1 / Q2 worden de high side mosfets genoemd en de onderste Q3 / Q4 de low side mosfets.

Bij de mosfet aan de lage kant zijn de referentiekabels (bronaansluitingen) op de juiste manier verbonden met de aardleiding. De mosfet aan de hoge kant heeft echter geen directe toegang tot de referentieaardlijn, maar is verbonden met de primaire transformator.

We weten dat de 'source'-aansluiting van een mosfet of de emitter voor een BJT moet worden aangesloten op de gemeenschappelijke aardingslijn (of de gemeenschappelijke referentielijn) om een ​​belasting normaal te geleiden en te schakelen.

Omdat in een H-bridge de mosfets aan de hoge kant niet rechtstreeks toegang hebben tot de gemeenschappelijke aarde, wordt het onmogelijk om ze effectief AAN te zetten met een normale poort DC (Vgs).

Dit is waar het probleem zich voordoet en een bootstrapping-netwerk wordt cruciaal.

Waarom is dit een probleem?

We weten allemaal dat een BJT een minimum van 0,6 V nodig heeft tussen zijn basis / emitter om volledig te geleiden. Evenzo heeft een mosfet ongeveer 6 tot 9V nodig over zijn poort / bron om volledig te geleiden.

Hier betekent 'volledig' optimale overdracht van de mosfet-afvoerspanning of de BJT-collectorspanning naar hun respectievelijke source / emitter-aansluitingen, in reactie op de gate / basisspanning.

In een H-bridge hebben de low side mosfets geen problemen met hun schakelparameters en deze kunnen normaal en optimaal geschakeld worden zonder speciale schakelingen.

Dit komt omdat de bronpin altijd op nul of aardpotentiaal staat, waardoor de poort op de gespecificeerde 12 V of 10 V boven de bron kan worden verhoogd. Dit voldoet aan de vereiste schakelvoorwaarden van de mosfet en maakt het mogelijk de drainlast volledig naar het maaiveld te trekken.

Bekijk nu de hoge zij-mosfets. Als we 12V over zijn poort / bron toepassen, reageren de mosfets aanvankelijk goed en beginnen ze de afvoerspanning naar de bronaansluitingen te geleiden. Terwijl dit gebeurt, begint door de aanwezigheid van de belasting (primaire wikkeling van de transformator) de bronpen een stijgend potentieel te ervaren.

Wanneer dit potentieel boven de 6V stijgt, begint de mosfet vast te lopen, omdat hij geen 'ruimte' meer heeft om te geleiden, en tegen de tijd dat het bronpotentieel 8V of 10V bereikt, stopt de mosfet met geleiden.

Laten we dit begrijpen met behulp van het volgende eenvoudige voorbeeld.

Hier is de belasting te zien die is verbonden met de bron van de mosfet, wat een Hi-side mosfet-toestand in een H-brug nabootst.

Als u in dit voorbeeld de spanning over de motor meet, zult u zien dat deze slechts 7V is, hoewel 12V aan de afvoerzijde wordt toegepast.

Dit komt omdat de 12 - 7 = 5V de absolute minimum gate / source of V is_gsdat wordt gebruikt door de mosfet om de geleiding AAN te houden. Aangezien de motor hier een 12V-motor is, draait hij nog steeds met de 7V-voeding.

Stel dat we een 50V-motor met 50V-voeding op de afvoer en 12V op de poort / bron gebruiken, dan zien we misschien slechts 7V op de bron, wat absoluut geen beweging op de 50V-motor produceert.

Als we echter ongeveer 62V toepassen over de poort / bron van de mosfet. Hierdoor zou de mosfet onmiddellijk worden ingeschakeld en zou de bronspanning snel beginnen te stijgen totdat deze het maximale 50V-afvoerniveau bereikt. Maar zelfs bij een bronspanning van 50V, zou de poort 62V zijn nog steeds 62-50 = 12V hoger dan de bron, waardoor een volledige geleiding van de mosfet en de motor mogelijk is.

Dit houdt in dat de poortbronterminals in het bovenstaande voorbeeld iets rond de 50 + 12 = 62V nodig hebben om een ​​volledige snelheidsschakeling op de 50V-motor mogelijk te maken. Omdat hierdoor het poortspanningsniveau van de mosfet correct kan worden verhoogd tot het gespecificeerde 12V-niveau boven de bron ​

Waarom brandt de Mosfet niet met zulke hoge Vgs

Het is omdat zodra de poortspanning (V._gs) wordt toegepast, wordt de hoogspanning aan de afvoerzijde onmiddellijk ingeschakeld en snelt het naar de bronterminal om de overtollige poort- / bronspanning te annuleren. Ten slotte wordt alleen de effectieve 12V of 10V weergegeven bij de poort / bron.

Dit betekent dat als 100V de afvoerspanning is en 110V wordt toegepast op de poort / bron, de 100V van de afvoer naar de bron stroomt, waardoor de toegepaste poort / bronpotentiaal 100V teniet wordt gedaan, waardoor alleen de plus 10V de procedures kan uitvoeren. Daarom kan de mosfet veilig werken zonder te verbranden.

Wat is Bootstrapping

Uit de bovenstaande paragrafen begrepen we waarom we precies zo'n 10V hoger nodig hebben dan de afvoerspanning als de Vgs voor de high side mosfets in een H-bridge.

Het circuitnetwerk dat de bovenstaande procedure uitvoert, wordt een bootstrapping-netwerk in een H-bridge-circuit genoemd.

In een standaard H-bridge driver IC wordt de bootstrapping bereikt door een diode en een hoogspanningscondensator toe te voegen aan de gate / source van de high side mosfets.

Wanneer de low-side mosfet is ingeschakeld (high-side FET is uitgeschakeld), zijn de HS-pin en het schakelknooppunt geaard. De V_ddvoeding, via de bypass-condensator, laadt de bootstrap-condensator op via de bootstrap-diode en weerstand.

Wanneer de low-side FET is uitgeschakeld en de high-side is ingeschakeld, worden de HS-pin van de gate-driver en het schakelknooppunt verbonden met de hoogspanningsbus HV, de bootstrap-condensator ontlaadt een deel van de opgeslagen spanning (verzameld tijdens het opladen sequentie) naar de high-side FET via de HO- en HS-pinnen van de gate-driver, zoals weergegeven in.

Voor meer info hierover kunt u verwijzen bij dit artikel

Implementeren van een praktisch circuit

Nadat je het bovenstaande concept grondig hebt geleerd, ben je misschien nog steeds in de war over de juiste methode voor het implementeren van een H-Bridge-circuit? Hier is dus een toepassingscircuit voor jullie allemaal, met een uitgebreide beschrijving.

De werking van het bovenstaande H-bridge-applicatieontwerp kan worden begrepen met de volgende punten:

Het cruciale aspect hier is om een ​​spanning over de 10uF te ontwikkelen zodat deze gelijk wordt aan de 'gewenste belastingsspanning' plus de voeding 12V aan de poorten van de high side MOSFET's, tijdens hun AAN-perioden.

De getoonde configuratie voert dit zeer efficiënt uit.

Stel je voor dat klok # 1 hoog is en klok # 2 laag (aangezien ze afwisselend moeten klokken).

In deze situatie wordt de mosfet rechtsboven UIT, terwijl de mosfet linksonder AAN staat.

De 10uF-condensator laadt snel op tot + 12V via de 1N4148-diode en lagere mosfet-afvoer / bron.

In het volgende moment, zodra klok # 1 laag wordt en klok # 2 hoog wordt, schakelt de lading over de linker 10uF de MOSFET linksboven AAN die onmiddellijk begint te geleiden.

In deze situatie begint de afvoerspanning naar de bron te stromen en tegelijkertijd beginnen de spanningen in de 10uF-condensator te duwen op een zodanige manier dat de bestaande lading + 12V 'zit' over deze ogenblikkelijk duwende spanningen van de MOSFET-aansluiting.

Deze toevoeging van de afvoerpotentiaal in de condensator van 10uF via de bronterminal zorgt ervoor dat de twee potentialen optellen en maakt het mogelijk dat het momentane potentieel over de poort / bron van de MOSFET net rond de + 12V boven het afvoerpotentiaal ligt.

Als de afvoerspanning bijvoorbeeld is geselecteerd op 100V, wordt deze 100V in de 10uF gedrukt, waardoor een continu compenserende potentiële poortspanning wordt veroorzaakt die op +12 net boven de 100V blijft.

Ik hoop dat dit je heeft geholpen het basiswerking van de high side bootstrapping gebruikmakend van een discreet condensatordiodenetwerk.

Gevolgtrekking

Uit de bovenstaande discussie begrijpen we dat bootstrapping cruciaal is voor alle H-bridge-topologieën om het effectief inschakelen van de high-side mosfets mogelijk te maken.

In dit proces wordt een geschikt geselecteerde condensator over de gate / emitter van de high side mosfet opgeladen tot 12V hoger dan het toegepaste afvoervoltage-niveau. Alleen wanneer dit gebeurt, kunnen de mosfets aan de hoge kant AAN worden gezet en de beoogde push-pull-schakeling van de aangesloten belasting voltooien.