H-Bridge Bootstrapping

Bootstrapping ist ein entscheidender Aspekt, den Sie in allen H-Bridge- oder Vollbrückennetzwerken mit N-Kanal-Mosfets finden.

Es ist ein Prozess, bei dem die Gate / Source-Anschlüsse der High-Side-Mosfets mit einer Spannung geschaltet werden, die mindestens 10 V höher ist als die Drain-Spannung. Das heißt, wenn die Drain-Spannung 100 V beträgt, muss die effektive Gate- / Source-Spannung 110 V betragen, um die vollständige Übertragung der 100 V vom Drain zur Source des High-Side-Mosfets zu ermöglichen.

Ohne Bootstrapping Eine H-Brückentopologie mit identischen Mosfets funktioniert einfach nicht.

Wir werden versuchen, die Details durch eine schrittweise Erklärung zu verstehen.

Ein Bootstrapping-Netzwerk wird nur dann erforderlich, wenn alle 4 Geräte in der H-Bridge mit ihrer Polarität identisch sind. In der Regel handelt es sich dabei um n-Kanal-Mosfets (4-p-Kanal wird aus offensichtlichen Gründen nie verwendet).

Das folgende Bild zeigt eine Standard-N-Kanal-H-Brückenkonfiguration

Die Hauptfunktion dieser Mosfet-Topologie besteht darin, die 'Last' oder die Transformator-Primärwicklung in diesem Diagramm auf Flip-Flop-Weise zu schalten. Dies bedeutet, dass ein alternierender Gegentaktstrom über die angeschlossene Transformatorwicklung erzeugt wird.

Um dies umzusetzen, werden die diagonal angeordneten Mosfets gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Und dies wird abwechselnd für die Diagonalpaare getaktet. Beispielsweise werden die Paare Q1 / Q4 und Q2 / Q3 abwechselnd zusammen ein- und ausgeschaltet. Wenn Q1 / Q4 eingeschaltet ist, ist Q2 / Q3 ausgeschaltet und umgekehrt.

Die obige Aktion zwingt den Strom, abwechselnd seine Polarität über die angeschlossene Transformatorwicklung zu ändern. Dies bewirkt wiederum, dass die induzierte Hochspannung an der Sekundärseite des Transformators auch ihre Polarität ändert, wodurch der beabsichtigte Wechselstrom oder Wechselstrom auf der Sekundärseite des Transformators erzeugt wird.

Was sind High-Side-Low-Side-Mosfets?

Die oberen Q1 / Q2 werden als High-Side-Mosfets bezeichnet, und die unteren Q3 / Q4 werden als Low-Side-Mosfets bezeichnet.

Bei den Low-Side-Mosfets sind die Referenzleitungen (Source-Klemmen) entsprechend mit der Erdungsleitung verbunden. Der High-Side-Mosfet hat jedoch keinen direkten Zugang zur Referenzerdungsleitung, sondern ist an die Primärtransformator angeschlossen.

Wir wissen, dass der 'Source'-Anschluss eines Mosfets oder der Emitter für einen BJT an die gemeinsame Erdungsleitung (oder die gemeinsame Referenzleitung) angeschlossen werden muss, damit er eine Last normal leiten und schalten kann.

Bei einer H-Brücke ist es unmöglich, sie effektiv mit einem normalen Gate-Gleichstrom (Vgs) einzuschalten, da die High-Side-Mosfets nicht direkt auf die gemeinsame Masse zugreifen können.

Hier tritt das Problem auf und ein Bootstrapping-Netzwerk wird entscheidend.

Warum ist das ein Problem?

Wir alle wissen, dass ein BJT mindestens 0,6 V zwischen seiner Basis / seinem Emitter benötigt, um vollständig zu leiten. In ähnlicher Weise benötigt ein Mosfet etwa 6 bis 9 V an seinem Gate / seiner Quelle, um vollständig zu leiten.

Hier bedeutet 'vollständig' eine optimale Übertragung der Mosfet-Drain-Spannung oder der BJT-Kollektorspannung auf ihre jeweiligen Source / Emitter-Anschlüsse als Reaktion auf den Eingang der Gate- / Basisspannung.

In einer H-Brücke haben die Low-Side-Mosfets keine Probleme mit ihren Schaltparametern und diese können ohne spezielle Schaltung normal und optimal geschaltet werden.

Dies liegt daran, dass der Source-Pin immer auf Null oder Erdpotential liegt, wodurch das Gate auf die angegebenen 12 V oder 10 V über der Source angehoben werden kann. Dies erfüllt die erforderlichen Schaltbedingungen des Mosfets und ermöglicht es ihm, die Abflusslast vollständig auf Bodenniveau zu ziehen.

Beobachten Sie nun die High Side Mosfets. Wenn wir 12 V an das Gate / die Source anlegen, reagieren die Mosfets zunächst gut und leiten die Drain-Spannung zu den Source-Anschlüssen. Währenddessen beginnt der Quellenstift jedoch aufgrund der vorhandenen Last (Primärwicklung des Transformators) ein ansteigendes Potential zu erfahren.

Wenn dieses Potential über 6 V ansteigt, beginnt der Mosfet zu blockieren, da er keinen 'Raum' mehr zum Leiten hat, und wenn das Quellenpotential 8 V oder 10 V erreicht, hört der Mosfet einfach auf zu leiten.

Lassen Sie uns dies anhand des folgenden einfachen Beispiels verstehen.

Hier ist die Last an der Quelle des Mosfets angeschlossen zu sehen, was einen Hi-Side-Mosfet-Zustand in einer H-Brücke imitiert.

Wenn Sie in diesem Beispiel die Spannung am Motor messen, beträgt diese nur 7 V, obwohl an der Drain-Seite 12 V anliegen.

Dies liegt daran, dass 12 - 7 = 5 V das absolute Minimum an Gate / Source oder V ist_gsDas wird vom Mosfet genutzt, um die Leitung eingeschaltet zu halten. Da der Motor hier ein 12-V-Motor ist, dreht er sich immer noch mit der 7-V-Versorgung.

Wenn wir einen 50-V-Motor mit 50-V-Versorgung am Drain und 12 V am Gate / Source verwenden, sehen wir möglicherweise nur 7 V an der Source, was absolut keine Bewegung am 50-V-Motor erzeugt.

Wenn wir jedoch ungefähr 62 V über das Tor / die Quelle des Mosfets anlegen. Dies würde den Mosfet sofort einschalten und seine Quellenspannung würde schnell ansteigen, bis er den maximalen 50-V-Drain-Pegel erreicht. Aber selbst bei einer Quellenspannung von 50 V wäre das Gate mit 62 V immer noch 62 - 50 = 12 V höher als die Quelle, was eine vollständige Leitung des Mosfets und des Motors ermöglicht.

Dies impliziert, dass die Gate-Source-Anschlüsse im obigen Beispiel etwas um 50 + 12 = 62 V benötigen würden, um ein Schalten mit voller Geschwindigkeit am 50 V-Motor zu ermöglichen. Dadurch kann der Gate-Spannungspegel des Mosfets auf den angegebenen 12-V-Pegel ordnungsgemäß erhöht werden über der Quelle .

Warum brennt der Mosfet nicht mit so hohen Vgs?

Es liegt daran, sobald die Gate-Spannung (V._gs) angelegt wird, wird die Drain-seitige Hochspannung sofort eingeschaltet und rast am Source-Anschluss, wodurch die überschüssige Gate- / Source-Spannung aufgehoben wird. Schließlich werden nur die effektiven 12 V oder 10 V am Gate / der Quelle gerendert.

Das heißt, wenn 100 V die Drain-Spannung ist und 110 V an das Gate / die Source angelegt werden, strömen die 100 V aus dem Drain an die Source, wodurch das angelegte Gate / Source-Potential von 100 V aufgehoben wird und nur die plus 10 V die Prozeduren bedienen können. Daher kann der Mosfet sicher arbeiten, ohne zu brennen.

Was ist Bootstrapping?

Aus den obigen Absätzen haben wir verstanden, warum genau wir etwa 10 V mehr als die Drain-Spannung als Vgs für die High-Side-Mosfets in einer H-Brücke benötigen.

Das Schaltungsnetzwerk, das das obige Verfahren ausführt, wird als Bootstrapping-Netzwerk in einer H-Brückenschaltung bezeichnet.

Beim Standard-H-Brückentreiber-IC wird das Bootstrapping durch Hinzufügen einer Diode und eines Hochspannungskondensators mit dem Gate / der Source der High-Side-Mosfets erreicht.

Wenn der Low-Side-Mosfet eingeschaltet ist (High-Side-FET ist ausgeschaltet), sind der HS-Pin und der Schaltknoten geerdet. Das V_ddDie Versorgung über den Bypass-Kondensator lädt den Bootstrap-Kondensator über die Bootstrap-Diode und den Widerstand auf.

Wenn der Low-Side-FET ausgeschaltet und die High-Side eingeschaltet ist, werden der HS-Pin des Gate-Treibers und der Schaltknoten mit dem Hochspannungsbus HV verbunden. Der Bootstrap-Kondensator entlädt einen Teil der gespeicherten Spannung (die während des Ladevorgangs gesammelt wird) Sequenz) zum High-Side-FET über die HO- und HS-Pins des Gate-Treibers, wie in gezeigt.

Weitere Informationen hierzu finden Sie hier zu diesem Artikel

Implementierung einer praktischen Schaltung

Nachdem Sie das obige Konzept gründlich gelernt haben, sind Sie möglicherweise immer noch verwirrt über die richtige Methode zur Implementierung einer H-Bridge-Schaltung. Hier ist eine Anwendungsschaltung für Sie alle mit einer ausführlichen Beschreibung.

Die Funktionsweise des obigen H-Brücken-Anwendungsdesigns kann mit den folgenden Punkten verstanden werden:

Der entscheidende Aspekt hierbei ist die Entwicklung einer Spannung über 10 uF, so dass sie während ihrer EIN-Perioden gleich der 'gewünschten Lastspannung' plus der Versorgung 12 V an den Gates der High-Side-MOSFETs wird.

Die gezeigte Konfiguration führt dies sehr effizient aus.

Stellen Sie sich vor, Uhr Nr. 1 ist hoch und Uhr Nr. 2 ist niedrig (da sie abwechselnd getaktet werden sollen).

In dieser Situation wird der obere rechte Mosfet ausgeschaltet, während der untere linke Mosfet eingeschaltet wird.

Der 10uF-Kondensator lädt sich schnell über die 1N4148-Diode und den unteren Mosfet-Drain / Source auf bis zu +12 V auf.

Im nächsten Moment schaltet die Ladung über den linken 10uF den oberen linken MOSFET ein, sobald Takt Nr. 1 niedrig und Takt Nr. 2 hoch wird, was sofort zu leiten beginnt.

In dieser Situation beginnt seine Drain-Spannung in Richtung seiner Source zu rasen, und gleichzeitig beginnen die Spannungen, in den 10uF-Kondensator so zu drücken, dass die vorhandene Ladung + 12 V über diesen augenblicklich drückenden Spannungen vom MOSFET-Anschluss 'sitzt'.

Diese Addition des Drain-Potentials in den 10uF-Kondensator über den Source-Anschluss stellt sicher, dass sich die beiden Potentiale addieren und dass das Momentanpotential über Gate / Source des MOSFET knapp bei +12 V über dem Drain-Potential liegt.

Wenn zum Beispiel die Drain-Spannung auf 100 V gewählt wird, werden diese 100 V in die 10 uF gedrückt, was eine kontinuierlich kompensierende potentielle Gate-Spannung verursacht, die bei +12 knapp über den 100 V bleibt.

Ich hoffe das hat dir geholfen das zu verstehen Grundlegende Funktionsweise des High Side Bootstrapping unter Verwendung eines diskreten Kondensatordiodennetzwerks.

Fazit

Aus der obigen Diskussion geht hervor, dass Bootstrapping für alle H-Brückentopologien von entscheidender Bedeutung ist, um ein effektives Einschalten der High-Side-Mosfets zu ermöglichen.

Bei diesem Verfahren wird ein entsprechend ausgewählter Kondensator über dem Gate / Emitter des High-Side-Mosfets auf 12 V aufgeladen, die höher als der angelegte Drain-Spannungspegel sind. Nur wenn dies geschieht, können die High-Side-Mosfets einschalten und die beabsichtigte Push-Pull-Umschaltung der angeschlossenen Last durchführen.