H-Bridge Bootstrapping

Bootstrapping é um aspecto crucial que você encontrará em todas as redes H-bridge ou full bridge com mosfets de N-channel.

É um processo no qual os terminais de porta / fonte dos mosfets do lado alto são comutados com uma tensão pelo menos 10 V superior à tensão de dreno. Ou seja, se a tensão de dreno for 100 V, então a tensão de porta / fonte efetiva deve ser 110 V para permitir a transferência total de 100 V do dreno para a fonte do mosfet do lado alto.

Sem bootstrapping Além disso, uma topologia de ponte H com mosfets idênticos simplesmente não funciona.

Tentaremos entender os detalhes por meio de uma explicação passo a passo.

Uma rede de bootstrapping se torna necessária somente quando todos os 4 dispositivos na ponte H são idênticos com sua polaridade. Normalmente são mosfets de canal n (4 canais p nunca são usados ​​devido a razões óbvias).

A imagem a seguir mostra uma configuração de ponte H de canal n padrão

A principal função dessa topologia mosfet é alternar a 'carga' ou o primário do transformador neste diagrama, em um flip-flop. Ou seja, para criar uma corrente alternada push-pull através do enrolamento do transformador conectado.

Para implementar isso, os mosfets dispostos diagonalmente são LIGADOS / DESLIGADOS simultaneamente. E isso é ciclado alternadamente para os pares diagonais. Por exemplo, os pares Q1 / Q4 e Q2 / Q3 são ligados / desligados juntos, alternadamente. Quando Q1 / Q4 está LIGADO, Q2 / Q3 está DESLIGADO e vice-versa.

A ação acima força a corrente a mudar alternadamente sua polaridade através do enrolamento do transformador conectado. Isso, por sua vez, faz com que a alta tensão induzida através do secundário do transformador também mude sua polaridade, produzindo a CA pretendida ou saída alternada no lado secundário do transformador.

O que são Mosfets High-Side Low-Side

Os Q1 / Q2 superiores são chamados de mosfets do lado alto e os Q3 / Q4 inferiores são chamados de mosfets do lado inferior.

Os mosfet do lado inferior têm seus condutores de referência (terminais de origem) conectados de forma apropriada à linha de aterramento. No entanto, os mosfet do lado alto não têm acesso à linha de aterramento de referência diretamente, em vez disso, são conectados ao primário do transformador.

Sabemos que o terminal 'fonte' de um mosfet ou o emissor de um BJT deve ser conectado à linha de aterramento comum (ou à linha de referência comum) para permitir que conduza e chame uma carga normalmente.

Em uma ponte H, uma vez que os mosfets do lado alto são incapazes de acessar o terra comum diretamente, ligá-los efetivamente com uma porta normal DC (Vgs) torna-se impossível.

É aí que surge o problema e uma rede de bootstrapping torna-se crucial.

Por que isso é um problema?

Todos nós sabemos que um BJT requer um mínimo de 0,6 V entre sua base / emissor para conduzir totalmente. Da mesma forma, um mosfet requer cerca de 6 a 9 V em sua porta / fonte para conduzir totalmente.

Aqui, 'totalmente' significa transferência ideal da tensão de dreno mosfet ou a tensão do coletor BJT para seus respectivos terminais de fonte / emissor, em resposta à entrada de tensão de porta / base.

Em uma ponte H, os mosfets do lado inferior não têm problemas com seus parâmetros de chaveamento e podem ser comutados normalmente e de forma otimizada, sem nenhum circuito especial.

Isso ocorre porque o pino da fonte está sempre em zero ou potencial de terra, permitindo que a porta seja elevada nos 12 V ou 10 V especificados acima da fonte. Isso atende às condições de comutação exigidas do mosfet e permite que ele puxe a carga de drenagem para o nível do solo totalmente.

Agora, observe os mosfets do lado alto. Se aplicarmos 12 V em sua porta / fonte, os mosfets inicialmente respondem bem e começam a conduzir a tensão de dreno em direção aos terminais da fonte. No entanto, enquanto isso acontece, devido à presença da carga (enrolamento primário do transformador), o pino da fonte começa a experimentar um potencial crescente.

Quando este potencial sobe para mais de 6 V, o mosfet começa a parar, porque não tem mais 'espaço' para conduzir, e quando o potencial da fonte atinge 8 V ou 10 V, o mosfet simplesmente para de conduzir.

Vamos entender isso com a ajuda do seguinte exemplo simples.

Aqui, a carga pode ser vista conectada na origem do mosfet, imitando uma condição de mosfet Hi-side em uma ponte H.

Neste exemplo, se você medir a tensão no motor, descobrirá que é de apenas 7 V, embora 12 V seja aplicado no lado do dreno.

Isso ocorre porque 12 - 7 = 5 V é a porta / fonte mínima desencapada ou V_gsque está sendo utilizado pelo mosfet para manter a condução LIGADA. Como o motor aqui é um motor de 12 V, ele ainda gira com a alimentação de 7 V.

Se supormos que usamos um motor de 50 V com alimentação de 50 V no dreno e 12 V na porta / fonte, podemos ver apenas 7 V na fonte, não produzindo absolutamente nenhum movimento no motor de 50 V.

No entanto, se aplicarmos cerca de 62 V no portão / fonte do mosfet. Isso ligaria instantaneamente o mosfet, e a tensão de sua fonte começaria a subir rapidamente até atingir o nível máximo de drenagem de 50 V. Mas mesmo com a tensão da fonte de 50 V, o gate sendo 62 V ainda seria 62 - 50 = 12 V mais alto que a fonte, permitindo uma condução completa do mosfet e do motor.

Isso implica que os terminais da fonte do gate no exemplo acima exigiriam algo em torno de 50 + 12 = 62 V para habilitar uma comutação de velocidade total no motor de 50 V. Porque isso permite que o nível de tensão do portão do mosfet seja adequadamente elevado no nível especificado de 12 V acima da fonte .

Por que o Mosfet não queima com Vgs tão alto

É porque assim que a tensão da porta (V_gs) é aplicada, a alta tensão do lado do dreno é instantaneamente LIGADA e chega ao terminal da fonte, cancelando o excesso de tensão da porta / fonte. Finalmente, apenas os 12 V ou 10 V efetivos são renderizados no gate / fonte.

Ou seja, se 100 V é a tensão de dreno, e 110 V é aplicado na porta / fonte, os 100 V do dreno sobe na fonte, anulando o potencial de porta / fonte aplicado 100 V, permitindo apenas mais 10 V para operar os procedimentos. Portanto, o mosfet é capaz de operar com segurança sem queimar.

O que é bootstrapping

A partir dos parágrafos acima, entendemos porque exatamente precisamos de cerca de 10 V acima da tensão de dreno como Vgs para os mosfets do lado alto em uma ponte H.

A rede de circuitos que realiza o procedimento acima é chamada de rede de bootstrapping em um circuito H-bridge.

No IC driver de ponte H padrão, o bootstrapping é obtido adicionando um diodo e um capacitor de alta tensão com a porta / fonte dos mosfets do lado alto.

Quando o mosfet do lado inferior é ligado (o FET do lado alto está desligado), o pino do HS e o nó do switch são aterrados. O V_ddalimentação, através do capacitor de desvio, carrega o capacitor bootstrap através do diodo e resistor bootstrap.

Quando o FET do lado baixo está desligado e o lado alto está ligado, o pino HS do driver do gate e o nó da chave são conectados ao barramento de alta tensão HV, o capacitor de bootstrap descarrega parte da voltagem armazenada (coletada durante o carregamento sequência) para o FET do lado alto através dos pinos HO e HS do acionador do gate, conforme mostrado em.

Para mais informações sobre isso, você pode consultar para este artigo

Implementando um Circuito Prático

Depois de aprender o conceito acima completamente, você ainda pode estar confuso quanto ao método correto de implementação de um circuito H-Bridge? Portanto, aqui está um circuito de aplicação para todos vocês, com uma descrição elaborada.

O funcionamento do projeto de aplicação da ponte H acima pode ser compreendido com os seguintes pontos:

O aspecto crucial aqui é desenvolver uma tensão através de 10uF de forma que ela se torne igual à 'tensão de carga desejada' mais a alimentação de 12 V nas portas dos MOSFETs do lado alto, durante seus períodos ON.

A configuração mostrada executa isso de forma muito eficiente.

Imagine que o clock # 1 está alto e o clock # 2 está baixo (já que eles deveriam estar alternando).

Nesta situação, o mosfet superior direito fica DESLIGADO, enquanto o mosfet inferior esquerdo é LIGADO.

O capacitor de 10uF carrega rapidamente até + 12V através do diodo 1N4148 e dreno / fonte MOSFET inferior.

No próximo instante, assim que o clock # 1 torna-se baixo e o clock # 2 torna-se alto, a carga nos 10uF da esquerda liga o MOSFET superior esquerdo, que imediatamente começa a conduzir.

Nesta situação, sua tensão de dreno começa a correr em direção à sua fonte e, simultaneamente, as tensões começam a empurrar para o capacitor de 10uF de tal forma que a carga existente + 12V 'senta' sobre esta tensão empurrando instantaneamente do terminal MOSFET.

Esta adição do potencial de dreno no capacitor de 10uF através do terminal de fonte garante que os dois potenciais se somam e permitem que o potencial instantâneo através da porta / fonte do MOSFET esteja em torno de + 12 V acima do potencial de drenagem.

Por exemplo, se a tensão de dreno for selecionada como 100 V, então esse 100 V empurra para 10uF causando uma tensão de porta potencial de compensação contínua que se mantém em +12 logo acima de 100 V.

Espero que isso tenha ajudado você a entender o trabalho básico de bootstrapping do lado alto usando rede de diodo de capacitor discreto.

Conclusão

A partir da discussão acima, entendemos que o bootstrap é crucial para todas as topologias de ponte H, a fim de permitir a ativação efetiva dos mosfets do lado alto.

Neste processo, um capacitor apropriadamente selecionado através do portão / emissor do mosfet do lado alto é carregado a 12 V acima do nível de tensão de dreno aplicado. Somente quando isso acontece, os mosfets do lado alto são capazes de LIGAR e completar a comutação push pull pretendida da carga conectada.