Einfaches H-Brücken-MOSFET-Treibermodul für Umrichter und Motoren

Wenn Sie sich fragen, ob es eine einfache Möglichkeit gibt, eine H-Brückentreiberschaltung ohne Verwendung des Komplexes zu implementieren Bootstrapping Die folgende Idee löst Ihre Anfrage genau.

In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie eine universelle Vollbrücken- oder H-Brücken-MOSFET-Treiberschaltung unter Verwendung von P-Kanal- und N-Kanal-MOSFETs aufbauen, mit denen hocheffiziente Treiberschaltungen für hergestellt werden können Motoren , Wechselrichter und viele verschiedene Stromrichter.

Die Idee beseitigt ausschließlich die standardmäßige 4-N-Kanal-H-Bridge-Treiber-Topologie, die unbedingt vom komplexen Bootstrapping-Netzwerk abhängt.

Vor- und Nachteile des Standard-N-Kanal-Vollbrückendesigns

Wir wissen, dass Vollbrücken-MOSFET-Treiber am besten durch den Einbau von N-Kanal-MOSFETs für alle 4 Geräte im System erreicht werden. Der Hauptvorteil ist der hohe Wirkungsgrad dieser Systeme in Bezug auf Energieübertragung und Wärmeableitung.

Dies liegt an der Tatsache, dass N-Kanal-MOSFETs sind mit einem minimalen RDSon-Widerstand an ihren Drain-Source-Anschlüssen spezifiziert, um einen minimalen Stromwiderstand zu gewährleisten und eine geringere Wärmeableitung und kleinere Kühlkörper an den Geräten zu ermöglichen.

Die Implementierung des oben genannten ist jedoch nicht einfach, da nicht alle 4-Kanal-Geräte die zentrale Last leiten und betreiben können, ohne dass ein Dioden- / Kondensator-Bootstrapping-Netzwerk mit dem Design verbunden ist.

Das Bootstrapping-Netzwerk erfordert einige Berechnungen und eine schwierige Platzierung der Komponenten, um sicherzustellen, dass die Systeme ordnungsgemäß funktionieren. Dies scheint der Hauptnachteil einer 4-Kanal-MOSFET-basierten H-Brückentopologie zu sein, die für normale Benutzer schwierig zu konfigurieren und zu implementieren ist.

Ein alternativer Ansatz

Ein alternativer Ansatz zur Herstellung eines einfachen und universellen H-Bridge-Treibermoduls, das eine hohe Effizienz verspricht und dennoch das komplexe Bootstrapping beseitigt, besteht darin, die beiden High-Side-N-Kanal-MOSFETs zu eliminieren und sie durch P-Kanal-Gegenstücke zu ersetzen.

Man mag sich fragen, ob es so einfach und effektiv ist, warum es dann kein empfohlenes Standarddesign ist. Die Antwort lautet: Obwohl der Ansatz einfacher aussieht, gibt es einige Nachteile, die bei dieser Art der Vollbrückenkonfiguration unter Verwendung der P- und N-Kanal-MOSFET-Kombination zu einer geringeren Effizienz führen können.

Erstens die P-Kanal-MOSFETs haben normalerweise einen höheren RDSon-Widerstand Bewertung im Vergleich zu N-Kanal-MOSFETs, was zu einer ungleichmäßigen Wärmeableitung an den Geräten und unvorhersehbaren Ausgangsergebnissen führen kann. Die zweite Gefahr kann ein Durchschussphänomen sein, das die Geräte sofort beschädigen kann.

Trotzdem ist es viel einfacher, die beiden oben genannten Hürden zu überwinden, als eine heikle Bootstrapping-Schaltung zu entwerfen.

Die beiden oben genannten Probleme können behoben werden durch:

1. Auswahl von P-Kanal-MOSFETs mit den niedrigsten RDSon-Spezifikationen, die fast der RDSon-Bewertung der komplementären N-Kanal-Geräte entsprechen können. In unserem vorgeschlagenen Design wird beispielsweise IRF4905 für die P-Kanal-MOSFETs verwendet, die mit einem beeindruckend niedrigen RDSon-Widerstand von 0,02 Ohm bewertet sind.
2. Gegen das Durchschießen durch Hinzufügen geeigneter Pufferstufen und durch Verwendung eines Oszillatorsignals von einer zuverlässigen digitalen Quelle.

Ein einfacher universeller H-Bridge-MOSFET-Treiber

Das folgende Bild zeigt die P-Kanal / N-Kanal-basierte universelle H-Brücken-MOSFET-Treiberschaltung, die so ausgelegt zu sein scheint, dass sie maximale Effizienz bei minimalen Risiken bietet.

Wie es funktioniert

Die Funktionsweise des obigen H-Brückendesigns ist ziemlich einfach. Die Idee eignet sich am besten für Wechselrichteranwendungen zur effizienten Umwandlung eines Gleichstroms mit geringem Stromverbrauch in Wechselstrom auf Netzebene.

Die 12-V-Versorgung wird von jeder gewünschten Stromquelle bezogen, z. B. von einer Batterie oder einem Solarpanel für eine Wechselrichteranwendung.

Die Versorgung wird unter Verwendung des 4700 uF Filterkondensators und über den 22 Ohm Strombegrenzungswiderstand und einen 12 V Zener für zusätzliche Stabilisierung entsprechend konditioniert.

Der stabilisierte Gleichstrom wird zur Stromversorgung der Oszillatorschaltung verwendet, um sicherzustellen, dass seine Funktionsweise nicht durch die Schalttransienten des Wechselrichters beeinträchtigt wird.

Der vom Oszillator ausgegebene alternative Takt wird den Basen der BJTs Q1, Q2 zugeführt, bei denen es sich um Standard-BC547-Transistoren mit kleinem Signal handelt, die als Puffer- / Inverterstufen zum präzisen Ansteuern der Haupt-MOSFET-Stufe positioniert sind.

Standardmäßig befinden sich die BC547-Transistoren aufgrund ihrer jeweiligen Basiswiderstandsteilerpotentiale im eingeschalteten Zustand.

Dies bedeutet, dass im Leerlauf ohne die Oszillatorsignale die P-Kanal-MOSFETs immer eingeschaltet sind, während die N-Kanal-MOSFETs immer ausgeschaltet sind. In dieser Situation erhält die Last in der Mitte, bei der es sich um eine Transformator-Primärwicklung handelt, keinen Strom und bleibt ausgeschaltet.

Wenn Taktsignale den angegebenen Punkten zugeführt werden, erden die negativen Signale der Taktimpulse tatsächlich die Basisspannung der BC547-Transistoren über den 100-uF-Kondensator.

Dies geschieht abwechselnd, wodurch der N-Kanal-MOSFET von einem der Arme der H-Brücke eingeschaltet wird. Da nun der P-Kanal-MOSFET am anderen Arm der Brücke bereits eingeschaltet ist, können ein P-Kanal-MOSFET und ein N-Kanal-MOSFET über die diagonalen Seiten gleichzeitig eingeschaltet werden, wodurch die Versorgungsspannung über diese fließt MOSFETs und die Primärwicklung des Transformators in eine Richtung.

Für das zweite alternative Taktsignal wiederholt sich dieselbe Aktion, jedoch für den anderen diagonalen Arm der Brücke, wodurch die Versorgung durch den Primärtransformator in die andere Richtung fließt.

Das Schaltmuster ähnelt genau jeder Standard-H-Brücke, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Dieses Flip-Flop-Schalten der P- und N-Kanal-MOSFETs über die linken / rechten Diagonalarme wiederholt sich in Reaktion auf die abwechselnden Taktsignaleingänge von der Oszillatorstufe.

Infolgedessen wird auch die Primärtransformator des Transformators in dem gleichen Muster geschaltet, wodurch eine Rechteckwelle mit 12 V Wechselstrom über ihre Primärwicklung fließt, die entsprechend über die Sekundärseite des Transformators in eine Rechteckwelle mit 220 V oder 120 V Wechselstrom umgewandelt wird.

Die Frequenz ist abhängig von der Frequenz des Oszillatorsignaleingangs, die bei 220 V Ausgang 50 Hz und bei 120 V Wechselstrom 60 Hz betragen kann.

Welche Oszillatorschaltung kann verwendet werden?

Das Oszillatorsignal kann von jedem digitalen IC-basierten Design stammen, wie z. B. vom IC 4047, SG3525, TL494, IC 4017/555, IC 4013 usw.

Sogar transistorisiert astable Schaltung kann effektiv für die Oszillatorschaltung verwendet werden.

Das folgende Oszillatorschaltungsbeispiel kann idealerweise mit dem oben diskutierten Vollbrückenmodul verwendet werden. Der Oszillator hat einen festen Ausgang bei 50 Hz über einen Kristallwandler.

Der Erdungsstift von IC2 ist im Diagramm fälschlicherweise nicht dargestellt. Bitte verbinden Sie Pin 8 des IC2 mit Pin 8, 12 des IC1, um sicherzustellen, dass IC2 das Erdpotential erhält. Diese Erdung muss auch mit der Erdungsleitung des H-Brückenmoduls verbunden werden.