Módulo de driver MOSFET H-Bridge fácil para inversores e motores

Se você está se perguntando se existe uma maneira fácil de implementar um circuito de driver H-bridge sem usar o complexo bootstrapping estágio, a ideia a seguir resolverá precisamente sua dúvida.

Neste artigo, aprendemos como construir um circuito de driver MOSFET universal full-bridge ou H-bridge, usando MOSFETs de canal P e canal N, que podem ser usados ​​para fazer circuitos de driver de alta eficiência para motores , inversores , e muitos conversores de energia diferentes.

A ideia se livra exclusivamente da topologia de driver H-bridge padrão de 4 canais N, que depende imperativamente da complexa rede de bootstrap.

Vantagens e desvantagens do projeto de ponte completa de canal N padrão

Sabemos que os drivers MOSFET full bridge são melhor alcançados incorporando MOSFETs de canal N para todos os 4 dispositivos no sistema. A principal vantagem é o alto grau de eficiência proporcionado por esses sistemas em termos de transferência de potência e dissipação de calor.

Isso se deve ao fato de MOSFETs de canal N são especificados com resistência RDSon mínima em seus terminais de fonte de drenagem, garantindo resistência mínima à corrente, permitindo menor dissipação de calor e dissipadores de calor menores nos dispositivos.

No entanto, a implementação do acima não é fácil, uma vez que todos os dispositivos de 4 canais não podem conduzir e operar a carga central sem ter uma rede de bootstrap de diodo / capacitor anexada ao projeto.

A rede de inicialização requer alguns cálculos e posicionamento complicado dos componentes para garantir que os sistemas funcionem corretamente. Esta parece ser a principal desvantagem de uma topologia de ponte H baseada em MOSFET de 4 canais, que usuários comuns acham difícil de configurar e implementar.

Uma abordagem alternativa

Uma abordagem alternativa para fazer um módulo de driver de ponte H fácil e universal que promete alta eficiência e ainda se livra da complexa inicialização é eliminar os dois MOSFETs de canal N de lado alto e substituí-los por contrapartes de canal P.

Alguém pode se perguntar: se é tão fácil e eficaz, por que não é um design padrão recomendado? A resposta é, embora a abordagem pareça mais simples, existem algumas desvantagens que podem causar menor eficiência neste tipo de configuração de ponte completa usando o combo MOSFET dos canais P e N.

Em primeiro lugar, o MOSFETs de canal P geralmente maior resistência RDSon classificação comparada aos MOSFETs de canal N, o que pode resultar em dissipação de calor desigual nos dispositivos e resultados de saída imprevisíveis. O segundo perigo pode ser um fenômeno de tiroteio, que pode causar danos instantâneos aos dispositivos.

Dito isso, é muito mais fácil cuidar dos dois obstáculos acima do que projetar um circuito de inicialização arriscado.

Os dois problemas acima podem ser eliminados por:

1. Seleção de MOSFETs de canais P com especificações RDSon mais baixas, que podem ser quase iguais à classificação RDSon dos dispositivos de canal N complementares. Por exemplo, em nosso projeto proposto, você pode encontrar IRF4905 sendo usado para os MOSFETs de canal P, que são classificados com uma resistência RDSon impressionantemente baixa de 0,02 Ohms.
2. Contando o disparo através da adição de estágios de buffer apropriados e usando o sinal do oscilador de uma fonte digital confiável.

Um driver MOSFET Easy Universal H-Bridge

A imagem a seguir mostra o circuito de driver MOSFET de ponte H universal baseado em canal P / canal N, que parece ter sido projetado para fornecer eficiência máxima com riscos mínimos.

Como funciona

O funcionamento do projeto da ponte H acima é basicamente básico. A ideia é mais adequada para aplicações de inversores para converter com eficiência uma CC de baixa potência em CA de nível de rede.

A alimentação de 12 V é adquirida de qualquer fonte de energia desejada, como uma bateria ou painel solar para uma aplicação de inversor.

A alimentação é condicionada apropriadamente usando o capacitor de filtro 4700 uF e através do resistor limitador de corrente de 22 ohms e um zener de 12 V para estabilização adicional.

A CC estabilizada é utilizada para alimentar o circuito do oscilador, garantindo que seu funcionamento não seja afetado pelos transientes de chaveamento do inversor.

A saída de relógio alternativo do oscilador é alimentada às bases dos BJTs Q1, Q2, que são transistores BC547 de pequeno sinal padrão posicionados como estágios de buffer / inversor para acionar o estágio MOSFET principal com precisão.

Por padrão, os transistores BC547 estão na condição LIGADOS, através de seus respectivos potenciais divisores resistivos de base.

Isso significa que na condição inativa, sem os sinais do oscilador, os MOSFETs do canal P estão sempre LIGADOS, enquanto os MOSFETs do canal N estão sempre DESLIGADOS. Nesta situação, a carga no centro, que é um enrolamento primário do transformador, não recebe energia e permanece desligada.

Quando os sinais de clock são alimentados para os pontos indicados, os sinais negativos dos pulsos de clock na verdade aterram a tensão de base dos transistores BC547 por meio do capacitor de 100 uF.

Isso acontece alternadamente, fazendo com que o MOSFET do canal N de um dos braços da ponte H seja LIGADO. Agora, uma vez que o MOSFET do canal P no outro braço da ponte já está ligado, permite que um MOSFET do canal P e um MOSFET do canal N através dos lados diagonais sejam ligados simultaneamente, fazendo com que a tensão de alimentação flua através deles MOSFETs e o primário do transformador em uma direção.

Para o segundo sinal de clock alternativo, a mesma ação se repete, mas para o outro braço diagonal da ponte, fazendo com que a alimentação flua através do transformador primário na outra direção.

O padrão de comutação é exatamente semelhante a qualquer ponte H padrão, conforme ilustrado na figura a seguir:

Essa comutação flip-flop dos MOSFETs dos canais P e N nos braços diagonais esquerdo / direito continua se repetindo em resposta às entradas de sinal de relógio alternativo do estágio do oscilador.

Como resultado, o primário do transformador também é comutado no mesmo padrão, fazendo com que uma onda quadrada CA 12V flua através de seu primário, que é correspondentemente convertido em 220 V ou 120 V CA de onda quadrada através do secundário do transformador.

A frequência depende da frequência da entrada do sinal do oscilador, que pode ser 50 Hz para saída de 220 V e 60 Hz para saída de 120 V CA,

Qual circuito oscilador pode ser usado

O sinal do oscilador pode ser de qualquer projeto baseado em IC digital, como do IC 4047, SG3525, TL494, IC 4017/555, IC 4013 etc.

Até astável transistorizado circuito pode ser usado efetivamente para o circuito do oscilador.

O seguinte exemplo de circuito oscilador pode ser idealmente usado com o módulo de ponte completa discutido acima. O oscilador tem saída fixa em 50 Hz, através de um transdutor de cristal.

O pino de aterramento do IC2 por engano não é mostrado no diagrama. Conecte o pino nº 8 do IC2 com o pino nº 8,12 linha do IC1, para garantir que o IC2 obtenha o potencial de aterramento. Este aterramento também deve ser unido à linha de aterramento do módulo H-bridge.