Modul Driver MOSFET H-Bridge Mudah untuk Inverter dan Motor

Jika Anda bertanya-tanya apakah ada cara mudah untuk mengimplementasikan rangkaian driver H-bridge tanpa menggunakan kompleks bootstrap tahap, ide berikut akan menyelesaikan kueri Anda dengan tepat.

Pada artikel ini kita belajar bagaimana membangun sirkuit driver universal full-bridge atau H-bridge MOSFET, menggunakan MOSFET P-channel dan N-channel, yang dapat digunakan untuk membuat sirkuit driver efisiensi tinggi untuk motor , inverter , dan banyak konverter daya yang berbeda.

Idenya secara eksklusif menghilangkan topologi driver 4 N-channel H-bridge standar, yang sangat bergantung pada jaringan bootstrap yang kompleks.

Keuntungan dan Kerugian Desain Jembatan Penuh N-Channel Standar

Kami tahu bahwa driver MOSFET bridge penuh paling baik dicapai dengan memasukkan MOSFET N-channel untuk semua 4 perangkat dalam sistem. Keuntungan utama adalah tingkat efisiensi yang tinggi yang disediakan oleh sistem ini dalam hal transfer daya, dan pembuangan panas.

Ini karena fakta itu MOSFET saluran-N ditentukan dengan resistansi RDSon minimal pada terminal sumber pembuangannya, memastikan resistansi minimum terhadap arus, memungkinkan pembuangan panas yang lebih kecil dan heatsink yang lebih kecil pada perangkat.

Namun, mengimplementasikan hal di atas tidak mudah, karena semua perangkat 4 saluran tidak dapat menghantarkan dan mengoperasikan beban pusat tanpa memiliki jaringan bootstrap dioda / kapasitor yang terpasang dengan desain.

Jaringan bootstrap memerlukan beberapa perhitungan, dan penempatan komponen yang rumit untuk memastikan bahwa sistem bekerja dengan benar. Hal ini tampaknya menjadi kelemahan utama dari topologi H-bridge berbasis MOSFET 4 saluran, yang sulit dikonfigurasi dan diterapkan oleh pengguna umum.

Pendekatan Alternatif

Pendekatan alternatif untuk membuat modul driver H-bridge yang mudah dan universal yang menjanjikan efisiensi tinggi namun menghilangkan bootstrap yang rumit adalah dengan menghilangkan dua MOSFET saluran-N sisi tinggi, dan menggantinya dengan pasangan saluran-P.

Orang mungkin bertanya-tanya, jika itu sangat mudah dan efektif lalu mengapa itu bukan desain yang direkomendasikan standar? Jawabannya adalah, meskipun pendekatannya terlihat lebih sederhana, ada beberapa kelemahan yang dapat menyebabkan efisiensi yang lebih rendah pada jenis konfigurasi jembatan penuh ini menggunakan kombinasi MOSFET saluran P dan N.

Pertama, MOSFET saluran-P biasanya memiliki resistansi RDS yang lebih tinggi peringkat dibandingkan dengan MOSFET saluran-N, yang dapat menyebabkan pembuangan panas yang tidak merata pada perangkat dan hasil keluaran yang tidak dapat diprediksi. Bahaya kedua mungkin berupa fenomena tembak-menembak, yang dapat menyebabkan kerusakan seketika pada perangkat.

Meskipun demikian, jauh lebih mudah untuk menangani dua rintangan di atas daripada merancang sirkuit bootstrap yang tidak pasti.

Dua masalah di atas dapat dihilangkan dengan:

1. Memilih MOSFET saluran-P dengan spesifikasi RDSon terendah, yang mungkin hampir sama dengan peringkat RDSon perangkat saluran-N pelengkap. Misalnya dalam desain yang kami usulkan, Anda dapat menemukan IRF4905 digunakan untuk MOSFET saluran-P, yang dinilai dengan resistansi RDSon yang sangat rendah yaitu 0,02 Ohm.
2. Melawan tembakan tembus dengan menambahkan tahap penyangga yang sesuai, dan dengan menggunakan sinyal osilator dari sumber digital yang andal.

Driver MOSFET H-Bridge Universal yang Mudah

Gambar berikut menunjukkan rangkaian driver MOSFET H-bridge universal berbasis P-channel / N-channel, yang tampaknya dirancang untuk memberikan efisiensi maksimum dengan risiko minimum.

Bagaimana itu bekerja

Pengerjaan desain H-bridge di atas cukup mendasar. Ide ini paling cocok untuk aplikasi inverter untuk secara efisien mengubah DC daya rendah ke AC level listrik.

Pasokan 12V diperoleh dari sumber daya yang diinginkan, seperti dari baterai atau panel surya untuk aplikasi inverter.

Suplai dikondisikan dengan tepat menggunakan kapasitor filter 4700 uF dan melalui resistor pembatas arus 22 ohm dan zener 12V untuk stabilisasi tambahan.

DC yang distabilkan digunakan untuk memberi daya pada rangkaian osilator, memastikan bahwa kerjanya tidak terpengaruh oleh transien switching dari inverter.

Output clock alternatif dari osilator diumpankan ke basis Q1, BJT Q2 yang merupakan sinyal kecil standar transistor BC547 yang diposisikan sebagai tahap penyangga / inverter untuk menggerakkan tahap MOSFET utama dengan presisi.

Secara default, transistor BC547 berada dalam kondisi ON, melalui potensi pembagi resistif dasarnya masing-masing.

Artinya pada kondisi idle, tanpa sinyal osilator, MOSFET saluran-P selalu dalam keadaan ON, sedangkan MOSFET saluran-N selalu dalam keadaan OFF. Dalam situasi ini, beban di tengah, yang merupakan belitan primer transformator tidak mendapat daya dan tetap dimatikan.

Ketika sinyal clock diumpankan ke titik yang ditunjukkan, sinyal negatif dari pulsa clock sebenarnya membumikan tegangan basis transistor BC547 melalui kapasitor 100 uF.

Ini terjadi secara bergantian, menyebabkan MOSFET saluran-N dari salah satu lengan jembatan-H menyala. Sekarang, karena MOSFET saluran-P di lengan lain jembatan sudah AKTIF, memungkinkan satu MOSFET saluran-P dan satu MOSFET saluran-N melintasi sisi diagonal untuk dinyalakan secara bersamaan, menyebabkan tegangan suplai mengalir melintasi ini. MOSFET dan primer transformator dalam satu arah.

Untuk sinyal clock alternatif kedua, tindakan yang sama berulang, tetapi untuk lengan diagonal lainnya dari jembatan menyebabkan suplai mengalir melalui primer transformator ke arah lain.

Pola switching sama persis dengan H-bridge standar, seperti yang digambarkan dalam gambar berikut:

Peralihan flip-flop dari MOSFET saluran P dan N di lengan diagonal kiri / kanan ini terus berulang sebagai respons terhadap input sinyal clock alternatif dari tahap osilator.

Akibatnya, primer transformator juga diaktifkan dalam pola yang sama yang menyebabkan gelombang persegi AC 12V mengalir melintasi primernya, yang selanjutnya diubah menjadi gelombang persegi 220 V atau 120 V AC melintasi sekunder transformator.

Frekuensi ini tergantung pada frekuensi masukan sinyal osilator yaitu 50 Hz untuk keluaran 220 V dan 60 Hz untuk keluaran 120 V AC,

Rangkaian Osilator Yang Dapat Digunakan

Sinyal osilator dapat berasal dari desain berbasis IC digital apa pun, seperti dari IC 4047, SG3525, TL494, IC 4017/555, IC 4013 dll.

Bahkan transistorized astabil rangkaian dapat digunakan secara efektif untuk rangkaian osilator.

Contoh rangkaian osilator berikut dapat digunakan secara ideal dengan modul jembatan penuh yang dibahas di atas. Osilator memiliki output tetap pada 50 Hz, melalui transduser kristal.

Pin ground dari IC2 secara keliru tidak ditampilkan dalam diagram. Harap sambungkan pin # 8 dari IC2 dengan pin # 8,12 baris IC1, untuk memastikan bahwa IC2 mendapatkan potensi ground. Tanah ini juga harus digabungkan dengan garis tanah modul jembatan-H.