Bootstrap H-Bridge

Coba Instrumen Kami Untuk Menghilangkan Masalah





Bootstrap adalah aspek penting yang akan Anda temukan di semua jaringan H-bridge atau jembatan penuh dengan MOSFET N-channel.

Ini adalah proses di mana terminal gerbang / sumber dari MOSFET sisi tinggi diaktifkan dengan tegangan yang setidaknya 10V lebih tinggi dari tegangan drainnya. Artinya, jika tegangan drain 100V, maka tegangan gerbang / sumber efektif harus 110V untuk memungkinkan transfer penuh 100V dari drain ke sumber MOSFET sisi tinggi.



Tanpa bootstrap fasilitas topologi H-bridge dengan mosfet identik tidak akan berfungsi.

Kami akan mencoba memahami detailnya melalui penjelasan langkah demi langkah.



Jaringan bootstrap menjadi diperlukan hanya jika keempat perangkat di H-bridge identik dengan polaritasnya. Biasanya ini adalah mosfet n-channel (4 p-channel tidak pernah digunakan karena alasan yang jelas).

Gambar berikut menunjukkan konfigurasi H-bridge n-channel standar

Topologi H-bridge menggunakan mosfets chnnel 4 N.

Fungsi utama dari topologi MOSFET ini adalah untuk mengganti 'beban' atau primer trafo pada diagram ini, secara flip-flop. Artinya, untuk menciptakan arus dorong-tarik bolak-balik melintasi belitan transformator yang terhubung.

Untuk mengimplementasikan ini mosfet yang disusun secara diagonal dinyalakan / dimatikan secara bersamaan. Dan siklus ini dilakukan secara bergantian untuk pasangan diagonal. Misalnya pasangan Q1 / Q4 dan Q2 / Q3 bersama-sama dinyalakan / dimatikan, secara bergantian. Saat Q1 / Q4 ON, Q2 / Q3 OFF, dan sebaliknya.

Tindakan di atas memaksa arus untuk mengubah polaritasnya secara bergantian melintasi belitan transformator yang terhubung. Hal ini pada gilirannya menyebabkan tegangan tinggi yang diinduksi melintasi sekunder transformator juga untuk mengubah polaritasnya, menghasilkan AC yang diinginkan atau keluaran bolak-balik pada sisi sekunder transformator.

Apa itu MOSFET Sisi Rendah Sisi Tinggi

Q1 / Q2 atas disebut mosfet sisi tinggi, dan Q3 / Q4 bawah disebut mosfet sisi rendah.

MOSFET sisi bawah memiliki kabel referensi (terminal sumber) yang terhubung secara tepat dengan saluran arde. Namun MOSFET sisi tinggi tidak memiliki akses ke garis ground referensi secara langsung, melainkan terhubung ke primer transformator.

Kita tahu bahwa terminal 'sumber' dari mosfet atau emitor untuk BJT harus dihubungkan ke jalur ground bersama (atau jalur referensi bersama) untuk memungkinkannya melakukan dan mengalihkan beban secara normal.

Dalam jembatan-H karena MOSFET sisi tinggi tidak dapat mengakses kesamaan secara langsung, menyalakannya secara efektif dengan gerbang normal DC (Vgs) menjadi tidak mungkin.

Di sinilah masalah muncul, dan jaringan bootstrap menjadi sangat penting.

Mengapa Ini Menjadi Masalah?

Kita semua tahu bahwa BJT membutuhkan minimum 0.6V antara basis / emitornya untuk bekerja penuh. Demikian pula, mosfet membutuhkan sekitar 6 hingga 9V melintasi gerbang / sumbernya untuk bekerja sepenuhnya.

Di sini, 'sepenuhnya' berarti transfer optimal dari tegangan drain mosfet atau tegangan kolektor BJT ke terminal sumber / emitor masing-masing, sebagai respons terhadap input tegangan gerbang / basis.

Dalam H-bridge, MOSFET sisi rendah tidak memiliki masalah dengan parameter switching mereka dan ini dapat diaktifkan secara normal dan optimal tanpa sirkuit khusus.

Ini karena pin sumber selalu nol atau potensial tanah yang memungkinkan gerbang dinaikkan pada 12V atau 10V yang ditentukan di atas sumber. Ini memenuhi kondisi peralihan yang diperlukan dari MOSFET dan memungkinkannya untuk menarik beban drain ke permukaan tanah sepenuhnya.

Sekarang, amati mosfet sisi tinggi. Jika kita menerapkan 12V melintasi gerbang / sumbernya, mosfet pada awalnya merespons dengan baik dan mulai mengalirkan tegangan ke terminal sumber. Namun, saat ini terjadi, karena adanya beban (belitan primer transformator) pin sumber mulai mengalami potensi naik.

Ketika potensi ini meningkat lebih dari 6V, mosfet mulai terhenti, karena tidak ada lagi 'ruang' untuk melakukan, dan pada saat potensi sumber mencapai 8V atau 10V mosfet berhenti berjalan.

Mari kita pahami ini dengan bantuan contoh sederhana berikut.

Di sini beban dapat dilihat terhubung ke sumber MOSFET, meniru kondisi MOSFET sisi-Hi dalam jembatan-H.

Dalam contoh ini, jika Anda mengukur tegangan di motor, Anda akan menemukannya hanya 7V, meskipun 12V diterapkan di sisi pembuangan.

Ini karena 12 - 7 = 5V adalah gerbang / sumber minimum atau V.gsyang digunakan oleh mosfet untuk menjaga konduksi ON. Karena motor di sini adalah motor 12V, ia masih berputar dengan suplai 7V.

Jika misalkan kita menggunakan motor 50V dengan suplai 50V di saluran pembuangan dan 12V di gerbang / sumber, kita mungkin hanya melihat 7V pada sumbernya, sama sekali tidak menghasilkan gerakan pada motor 50V.

Namun, jika kita menerapkan sekitar 62V melintasi gerbang / sumber MOSFET. Ini akan langsung MENGAKTIFKAN mosfet, dan tegangan sumbernya akan dengan cepat mulai naik hingga mencapai level drain maksimum 50V. Tetapi bahkan pada tegangan sumber 50V, gerbang menjadi 62V akan tetap 62 - 50 = 12V lebih tinggi dari sumber, memungkinkan konduksi penuh dari MOSFET dan motor.

Ini menyiratkan, terminal sumber gerbang pada contoh di atas akan membutuhkan sekitar 50 + 12 = 62V untuk mengaktifkan pengalihan kecepatan penuh pada motor 50V. Karena ini memungkinkan level tegangan gerbang mosfet dinaikkan dengan benar pada level 12V yang ditentukan di atas sumbernya .

Mengapa Mosfet tidak Membakar dengan Vgs setinggi itu

Itu karena begitu tegangan gerbang (Vgs) diterapkan, tegangan tinggi sisi saluran langsung dinyalakan dan mengalir ke terminal sumber yang membatalkan tegangan gerbang / sumber berlebih. Akhirnya, hanya 12V atau 10V efektif yang diberikan di gerbang / sumber.

Artinya, jika 100V adalah tegangan drain, dan 110V diterapkan pada gerbang / sumber, 100V dari drain mengalir ke sumber, meniadakan potensi gerbang / sumber 100V, yang memungkinkan hanya plus 10V untuk mengoperasikan prosedur. Oleh karena itu mosfet mampu beroperasi dengan aman tanpa terbakar.

Apa itu Bootstrap

Dari paragraf di atas kami memahami mengapa tepatnya kami membutuhkan sekitar 10V lebih tinggi dari tegangan drain sebagai Vgs untuk MOSFET sisi tinggi di jembatan-H.

Jaringan sirkuit yang menyelesaikan prosedur di atas disebut jaringan bootstrap dalam sirkuit H-bridge.

Dalam IC driver H-bridge standar, bootstrap dicapai dengan menambahkan dioda dan kapasitor tegangan tinggi dengan gerbang / sumber MOSFET sisi tinggi.

Saat mosfet sisi rendah dinyalakan (FET sisi tinggi mati), pin HS dan node sakelar diardekan. The VDDsupply, melalui kapasitor bypass, mengisi kapasitor bootstrap melalui dioda dan resistor bootstrap.

Ketika FET sisi rendah dimatikan dan sisi tinggi aktif, pin HS dari driver gerbang dan simpul sakelar terhubung ke bus tegangan tinggi HV, kapasitor bootstrap melepaskan sebagian dari voltase yang tersimpan (dikumpulkan selama pengisian urutan) ke FET sisi tinggi melalui pin HO dan HS dari driver gerbang seperti yang ditunjukkan pada.

Untuk info lebih lanjut tentang ini, Anda dapat merujuk ke artikel ini

Menerapkan Sirkuit Praktis

Setelah mempelajari konsep di atas secara menyeluruh, Anda mungkin masih bingung bagaimana cara mengimplementasikan rangkaian H-Bridge yang benar? Jadi, inilah rangkaian aplikasi untuk Anda semua, dengan deskripsi yang rumit.

Cara kerja desain aplikasi H-bridge diatas dapat dipahami dengan poin-poin sebagai berikut:

Aspek penting di sini adalah untuk mengembangkan tegangan di 10uF sehingga menjadi sama dengan 'tegangan beban yang diinginkan' ditambah pasokan 12V di gerbang MOSFET sisi tinggi, selama periode ON mereka.

Konfigurasi yang ditampilkan menjalankan ini dengan sangat efisien.

Bayangkan jam # 1 tinggi, dan jam # 2 rendah (karena seharusnya jam kerja bergantian).

Dalam situasi ini mosfet kanan atas menjadi OFF, sedangkan mosfet kiri bawah dalam keadaan ON.

Kapasitor 10uF dengan cepat mengisi daya hingga + 12V melalui dioda 1N4148 dan saluran / sumber mosfet yang lebih rendah.

Detik berikutnya, segera setelah jam # 1 menjadi rendah dan jam # 2 menjadi tinggi, muatan di 10uF kiri beralih ON MOSFET kiri atas yang segera mulai berjalan.

Dalam situasi ini tegangan drainnya mulai mengalir ke sumbernya, dan secara bersamaan tegangan mulai mendorong ke kapasitor 10uF sedemikian rupa sehingga muatan yang ada + 12V 'duduk' di atas tegangan yang mendorong secara instan dari terminal MOSFET.

Penambahan potensi drain ini ke kapasitor 10uF melalui terminal sumber memastikan bahwa kedua potensi bertambah dan memungkinkan potensi sesaat melintasi gerbang / sumber MOSFET berada tepat di sekitar + 12V di atas potensi drain.

Misalnya jika tegangan drain dipilih menjadi 100V, maka 100V ini mendorong ke 10uF menyebabkan tegangan gerbang potensial kompensasi terus menerus yang dipertahankan pada +12 tepat di atas 100V.

Saya harap ini membantu Anda untuk memahami kerja dasar dari bootstrap sisi tinggi menggunakan jaringan dioda kapasitor diskrit.

Kesimpulan

Dari pembahasan di atas kami memahami bahwa bootstrap sangat penting untuk semua topologi H-bridge untuk memungkinkan pengaktifan yang efektif dari MOSFET sisi tinggi.

Dalam proses ini kapasitor yang dipilih dengan tepat melintasi gerbang / emitor dari MOSFET sisi tinggi dibebankan ke 12V lebih tinggi dari level tegangan drain yang diterapkan. Hanya ketika ini terjadi, mosfet sisi tinggi dapat mengaktifkan dan menyelesaikan sakelar tarik dorong yang dimaksudkan dari beban yang terhubung.




Sepasang: Perhitungan Induktor Kapasitor Berikutnya: 5 Sirkuit Amplifier 40 Watt Terbaik yang Dijelajahi