H-Bridge Bootstrapping

Ang Bootstrapping ay isang mahalagang aspeto na makikita mo sa lahat ng H-tulay o buong mga network ng tulay na may mga N-channel mosfet.

Ito ay isang proseso kung saan ang mga terminal ng gate / pinagmulan ng mga mataas na gilid na mosfet ay inililipat ng isang boltahe na hindi bababa sa 10V mas mataas kaysa sa boltahe ng kanal. Ibig sabihin, kung ang boltahe ng alisan ng tubig ay 100V, kung gayon ang mabisang boltahe ng gate / pinagmulan ay dapat na 110V upang paganahin ang buong paglipat ng 100V mula sa alisan ng tubig patungo sa pinagmulan ng mataas na bahagi ng mosfet.

Nang walang naka-bootstrap pasilidad ang isang topology ng H-tulay na may magkatulad na mga mosfet ay hindi gagana.

Susubukan naming maunawaan ang mga detalye sa pamamagitan ng isang sunud-sunod na paliwanag.

Ang isang network ng bootstrapping ay kinakailangan kinakailangan lamang kung ang lahat ng 4 na aparato sa H-bridge ay magkapareho sa kanilang polarity. Karaniwan ang mga ito ay mga n-channel mosfet (4 p-channel ay hindi kailanman ginamit dahil sa mga halatang dahilan).

Ipinapakita ng sumusunod na imahe ang isang karaniwang pagsasaayos ng n-channel H-bridge

Ang pangunahing pag-andar ng topolohiya ng mosfet na ito ay upang ilipat ang 'load' o ang pangunahing transpormer sa diagram na ito, sa isang flip-flop na paraan. Ibig sabihin, upang lumikha ng isang kahaliling kasalukuyang push-pull sa kabuuan ng konektadong paikot-ikot na transpormer.

Upang maipatupad ito ang mga diagonal na nakaayos na mga mosfet ay nakabukas ON / OFF nang sabay-sabay. At ito ay paikot-ikot na halili para sa mga pares na dayagonal. Halimbawa ang mga pares na Q1 / Q4 at Q2 / Q3 ay magkasama na nakabukas ON / OFF, halili. Kapag ang Q1 / Q4 ay ON, ang Q2 / Q3 ay OFF, at ang kabaligtaran.

Pinipilit ng aksyon sa itaas ang kasalukuyang halili na baguhin ang polarity nito sa kabuuan ng konektadong paikot-ikot na transpormer. Ito naman ang sanhi ng sapilitan mataas na boltahe sa sekundaryong transpormer upang baguhin din ang polarity nito, na gumagawa ng inilaan na AC o alternating output sa pangalawang bahagi ng transpormer.

Ano ang mga High-Side Low-Side Mosfet

Ang itaas na Q1 / Q2 ay tinawag na mga matataas na bahagi ng mosfet, at ang mas mababang Q3 / Q4 ay tinatawag na mga mababang gilid na mosfet.

Ang mababang bahagi ng mosfet ay may kanilang mga sanggunian na lead (mapagkukunang mga terminal) na naaangkop na konektado sa linya ng lupa. Gayunpaman ang mataas na bahagi ng mosfet ay walang access sa sangguniang linya ng lupa nang direkta, sa halip ay konektado sa pangunahing transpormer.

Alam namin na ang 'pinagmulan' na terminal ng isang mosfet o ang emitter para sa isang BJT ay dapat na konektado sa karaniwang ground line (o ang karaniwang linya ng sanggunian) upang paganahin ito upang magsagawa at lumipat ng isang pagkarga nang normal.

Sa isang H-tulay dahil ang mga mosfet ng mataas na bahagi ay hindi direktang ma-access ang karaniwang lupa, mabisang inililipat ang mga ito sa isang normal na gate DC (Vgs) na naging imposible.

Dito lumilitaw ang problema, at ang isang bootstrapping network ay naging mahalaga.

Bakit ito Isang Suliranin?

Alam nating lahat na ang isang BJT ay nangangailangan ng isang minimum na 0.6V sa pagitan ng base / emitter nito upang magsagawa ng ganap. Katulad nito, ang isang mosfet ay nangangailangan ng humigit-kumulang 6 hanggang 9V sa kabuuan ng kanyang gate / mapagkukunan upang ganap na magsagawa.

Dito, ang 'ganap' ay nangangahulugang pinakamainam na paglipat ng boltahe ng mosfet drain o ang boltahe ng kolektor ng BJT sa kani-kanilang mga mapagkukunan / emitter terminal, bilang tugon sa pag-input ng gate / base voltage.

Sa isang H-bridge ang mga mababang gilid na mosfet ay walang problema sa kanilang mga parameter ng paglipat at ang mga ito ay maaaring ilipat nang normal at may pag-optimize nang walang anumang espesyal na circuitry.

Ito ay sapagkat ang pin na pinagmulan ay palaging nasa zero o potensyal sa lupa na nagpapahintulot sa matataas na gate sa tinukoy na 12V o 10V sa itaas ng mapagkukunan. Natutugunan nito ang kinakailangang mga kondisyon ng paglipat ng mosfet at pinapayagan itong hilahin ang load ng alisan ng tubig sa antas ng lupa.

Ngayon, obserbahan ang mga mosfet na mataas ang panig. Kung ilalapat namin ang 12V sa kanyang gate / source, ang mga mosfet ay una na tumutugon nang maayos at nagsisimulang isagawa ang boltahe ng alisan ng tubig patungo sa mga terminal ng pinagmulan. Gayunpaman, habang nangyayari ito, dahil sa pagkakaroon ng pag-load (pangunahing transpormer ng paikot-ikot) ang pin na pinagmulan ay nagsisimulang maranasan ang tumataas na potensyal.

Kapag ang potensyal na ito ay tumataas sa paglipas ng 6V, ang mosfet ay nagsisimulang tumigil, sapagkat wala na itong 'puwang' upang magsagawa, at sa oras na ang potensyal na mapagkukunan ay umabot sa 8V o 10V ang mosfet ay hihinto lamang sa pagsasagawa.

Unawain natin ito sa tulong ng sumusunod na simpleng halimbawa.

Dito makikita ang pagkarga na konektado sa pinagmulan ng mosfet, ginagaya ang isang Hi-side na kondisyon ng mosfet sa isang H-bridge.

Sa halimbawang ito kung susukatin mo ang boltahe sa kabila ng motor mahahanap mo ito na 7V lamang, bagaman ang 12V ay inilapat sa paagusan ng alisan.

Ito ay dahil ang 12 - 7 = 5V ay ang hubad na minimum gate / source o V_gsna ginagamit ng mosfet upang panatilihing ON ang pagpapadaloy. Dahil ang motor dito ay isang 12V motor paikutin pa rin ito gamit ang 7V supply.

Kung ipagpalagay na gumamit kami ng isang 50V motor na may 50V supply sa alisan ng tubig at 12V sa gate / pinagmulan, maaari naming makita ang 7V lamang sa mapagkukunan, na gumagawa ng ganap na walang paggalaw sa 50V motor.

Gayunpaman, kung mag-apply kami sa paligid ng 62V sa buong gate / mapagkukunan ng mosfet. Agad nitong buksan ang mosfet, at ang pinagmulan ng boltahe ay mabilis na magsisimulang tumaas hanggang sa maabot ang maximum na 50V na antas ng alisan ng tubig. Ngunit kahit na sa 50V na pinagmulan ng boltahe, ang gate na 62V ay magiging 62 - 50 = 12V mas mataas kaysa sa mapagkukunan, na nagbibigay-daan sa isang buong pagpapadaloy ng mosfet at ng motor.

Ipinapahiwatig nito, ang mga terminal ng pinagmulan ng gate sa halimbawa sa itaas ay mangangailangan ng isang bagay sa paligid ng 50 + 12 = 62V upang paganahin ang isang buong speed switchng sa 50V motor. Dahil pinapayagan nitong ang antas ng boltahe ng gate ng mosfet na maitaas nang maayos sa tinukoy na antas ng 12V sa itaas ng mapagkukunan .

Bakit hindi sumunog ang Mosfet sa napakataas na Vgs

Ito ay dahil sa sandaling ang boltahe ng gate (V_gs) ay inilapat, ang alisan ng mataas na boltahe ng alisan ng tubig ay agad na nakabukas ON at nagmamadali ito sa pinagmulang terminal na kinansela ang labis na boltahe ng gate / pinagmulan. Panghuli, ang mabisang 12V o 10V lamang ang nai-render sa gate / pinagmulan.

Ibig sabihin, kung ang 100V ay ang boltahe ng alisan ng tubig, at ang 110V ay inilalapat sa gate / mapagkukunan, ang 100V mula sa alisan ng tubig ay nagmamadali sa pinagmulan, na pinawawalang-bisa ang inilapat na gate / mapagkukunang potensyal na 100V, na pinapayagan lamang ang plus 10V upang mapatakbo ang mga pamamaraan. Samakatuwid ang mosfet ay maaaring gumana nang ligtas nang hindi nasusunog.

Ano ang Bootstrapping

Mula sa mga talata sa itaas naintindihan namin kung bakit eksakto na kailangan namin ng mas mataas sa 10V kaysa sa boltahe ng alisan ng tubig tulad ng Vgs para sa mga high side mosfet sa isang H-bridge.

Ang circuit network na nagagawa ang pamamaraan sa itaas ay tinatawag na isang bootstrapping network sa isang H-bridge circuit.

Sa karaniwang H-bridge driver IC, ang bootstrapping ay nakakamit sa pamamagitan ng pagdaragdag ng isang diode at isang mataas na boltahe na capacitor na may gate / mapagkukunan ng mga high side mosfet.

Kapag ang low-side mosfet ay nakabukas (naka-off ang high-side FET), ang HS pin at ang switch node ay na-grounded. Ang V_DDang supply, sa pamamagitan ng bypass capacitor, sinisingil ang bootstrap capacitor sa pamamagitan ng bootstrap diode at resistor.

Kapag ang low-side FET ay naka-patay at ang high-side ay nakabukas, ang HS pin ng driver ng gate at ang switch node ay nakakakonekta sa mataas na boltahe na bus HV ang bootstrap capacitor ay naglalabas ng ilang mga nakaimbak na boltahe (nakolekta habang nagcha-charge pagkakasunud-sunod) sa mataas na gilid na FET sa pamamagitan ng mga HO at HS na pin ng driver ng gate tulad ng ipinakita sa.

Para sa karagdagang impormasyon tungkol dito maaari kang mag-refer sa artikulong ito

Pagpapatupad ng isang Praktikal na Circuit

Matapos matutunan nang lubusan ang konsepto, maaaring malito ka pa rin tungkol sa tamang pamamaraan ng pagpapatupad ng isang H-Bridge circuit? Kaya narito ang isang application circuit para sa inyong lahat, na may isang detalyadong paglalarawan.

Ang pagtatrabaho ng nasa itaas na disenyo ng aplikasyon ng H-bridge ay maaaring maunawaan sa mga sumusunod na puntos:

Ang kritikal na aspeto dito ay upang makabuo ng isang boltahe sa kabuuan ng 10uF tulad na ito ay magiging katumbas ng 'nais na boltahe ng pag-load' kasama ang supply 12V sa mga pintuan ng mataas na bahagi ng MOSFET, sa panahon ng kanilang ON.

Ang ipinakitang pagsasaayos ay nagpapatupad nito nang napakahusay.

Isipin na ang orasan # 1 ay mataas, at ang orasan # 2 ay mababa (dahil sila ay dapat na kahalili ng orasan).

Sa sitwasyong ito ang kanang tuktok na mosfet ay nagiging OFF, habang ang mas mababang kaliwang mosfet ay nakabukas ON.

Ang 10uF capacitor ay mabilis na naniningil ng hanggang + 12V sa pamamagitan ng 1N4148 diode at mas mababang mosfet drain / source.

Sa susunod na instant, sa lalong madaling maging mababa ang orasan # 1 at maging mataas ang orasan # 2, ang singil sa kaliwang 10uF ay lilipat SA tuktok na kaliwang MOSFET na agad na nagsisimulang isagawa.

Sa sitwasyong ito ang boltahe ng alisan nito ay nagsisimula sa pagmamadali patungo sa pinagmulan nito, at nang sabay-sabay ang mga boltahe ay nagsisimulang itulak sa 10uF capacitor sa isang paraan na ang umiiral na singil + 12V 'nakaupo' sa instant na ito na nagtutulak ng mga voltages mula sa terminal ng MOSFET.

Ang pagdaragdag ng potensyal na alisan ng tubig sa 10uF capacitor sa pamamagitan ng terminal ng pinagmulan tinitiyak na ang dalawang mga potensyal na magdagdag at paganahin ang instant na potensyal sa kabuuan ng gate / mapagkukunan ng MOSFET na nasa paligid lamang ng + 12V sa itaas ng potensyal na alisan ng tubig.

Halimbawa kung ang boltahe ng alisan ng tubig ay napili upang maging 100V, kung gayon ang 100V na ito ay itinutulak sa 10uF na nagdudulot ng isang patuloy na pagbabayad ng potensyal na boltahe ng gate na nagpapanatili sa +12 sa itaas lamang ng 100V.

Inaasahan kong nakatulong ito sa iyo upang maunawaan ang pangunahing pagtatrabaho ng mataas na gilid na bootstrapping gamit ang discrete capacitor diode network.

Konklusyon

Mula sa talakayan sa itaas naiintindihan namin na ang bootstrapping ay mahalaga para sa lahat ng mga topology ng H-tulay upang payagan ang mabisang switch ON ng mga mataas na gilid na mosfet.

Sa prosesong ito ang isang naaangkop na napiling capacitor sa kabuuan ng gate / emitter ng High side mosfet ay sisingilin sa 12V na mas mataas kaysa sa inilapat na antas ng boltahe ng alulod. Kapag nangyari lamang ito, ang mga mosfet ng mataas na bahagi ay nakapag-ON at nakumpleto ang inilaan na paglipat ng push pull ng konektadong pagkarga.