Bootstrapping de ponte H

O bootstrapping é um aspecto crucial que você encontrará em todas as redes de ponte H ou ponte completa com mosfets de canal N.

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

Sem uma instalação de inicialização, uma topologia de ponte H com mosfets idênticos simplesmente não funcionará.

Vamos tentar entender os detalhes através de uma explicação passo a passo.

Uma rede inicial é necessária apenas quando os 4 dispositivos na ponte H são idênticos à sua polaridade. Geralmente esses são mosfets de canal n (4 canais p nunca são usados ​​devido a razões óbvias).


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

Topologia em ponte H com mosfets de canal 4N

A principal função dessa topologia mosfet é alterar a “carga” ou o transformador primário neste diagrama, de maneira flip-flop. Ou seja, crie uma corrente alternada push-pull através do enrolamento do transformador conectado.

Para implementar isso, os mosfets dispostos na diagonal são ativados / desativados simultaneamente. E isso é alternado alternadamente para pares diagonais. Por exemplo, os pares Q1 / Q4 e Q2 / Q3 são ligados / desligados juntos, alternadamente. Quando Q1 / Q4 está ativado, Q2 / Q3 está desativado e vice-versa.

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

O que são mosfets laterais baixos?

O Q1 / Q2 superior é chamado de mosfets do lado superior e o Q3 / Q4 inferior é chamado de mosfets do lado inferior.

O mosfet do lado inferior tem seus fios de referência (terminais de origem) adequadamente conectados à linha de aterramento. No entanto, o mosfet do lado alto não tem acesso diretamente à linha de aterramento de referência, mas está conectado ao transformador primário.

Sabemos que o terminal “fonte” de um mosfet ou o emissor de um BJT deve estar conectado à linha de aterramento comum (ou à linha de referência comum) para permitir que você conduza e altere uma carga normalmente.


Em uma ponte H, como os mosfets do lado alto não podem acessar diretamente o terreno comum, é impossível ativá-los efetivamente com um portão CC (Vgs) normal.

É aqui que o problema surge e uma rede inicial se torna crucial.

Por que isso é um problema?

Todos sabemos que um BJT requer um mínimo de 0,6V entre sua base / emissor para funcionar totalmente. Da mesma forma, um mosfet requer em torno de 6 a 9V através de seu portão / fonte para operar totalmente.

Aqui, “totalmente” significa uma transferência ideal da tensão de drenagem do mosfet ou da 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 comutação e eles podem ser alterados normalmente e de maneira ideal sem nenhum circuito especial.

Isso ocorre porque o pino da fonte está sempre com zero ou potencial de terra, permitindo que a porta suba aos 12V ou 10V especificados acima da fonte. Isso atende às condições de comutação exigidas do mosfet e permite puxar a carga de drenagem para o nível do solo completamente.

Agora olhe para os mosfets no lado alto. Se aplicarmos 12V através do seu portão / fonte, os mosfets inicialmente respondem bem e começam a conduzir a tensão de dreno para os terminais da fonte. No entanto, enquanto isso ocorre, devido à presença da carga (enrolamento primário do transformador), o pino de origem começa a experimentar um potencial cada vez maior.

Quando esse potencial ultrapassa os 6V, o mosfet começa a parar, pois não tem mais “espaço” para conduzir, e quando o potencial da fonte atinge 8V ou 10V, o mosfet para de conduzir.

Vamos entender isso com a ajuda do seguinte exemplo simples.

Aqui, a carga pode ser vista conectada na fonte do mosfet, imitando uma condição de mosfet do lado alto em uma ponte H.

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


Isso ocorre porque 12 – 7 = 5V é a fonte / porta mínima ou Vgs que está sendo usado pelo mosfet para continuar dirigindo. Como o motor aqui é de 12V, ele ainda gira com a fonte de 7V.

Se assumirmos que estamos usando um motor de 50V com uma alimentação de 50V no dreno e 12V no portão / fonte, podemos ver apenas 7V na fonte, produzindo absolutamente nenhum movimento no motor de 50V.

No entanto, se aplicarmos em torno de 62V através do portão / fonte do mosfet. Isso ligaria instantaneamente o mosfet e sua tensão de fonte começaria a aumentar rapidamente até atingir o nível máximo de dreno de 50V. Mas mesmo na tensão de fonte de 50V, o portão de 62V seria 62 – 50 = 12V maior que a fonte, permitindo a condução completa do motor e do mosfet.

Isso implica que os terminais da fonte de porta no exemplo anterior exigiriam algo em torno de 50 + 12 = 62V para permitir a comutação em velocidade total no motor de 50V. Porque isso permite que o nível de tensão do portão mosfet aumente adequadamente para o nível especificado de 12V acima da fonte.

Por que o Mosfet não queima com Vgs tão alto?

É porque assim que a tensão do portão (Vgs), a alta tensão do lado do dreno liga instantaneamente e corre para o terminal da fonte, cancelando o excesso de tensão da porta / fonte. Finalmente, apenas os 12V ou 10V efetivos são processados ​​na porta / fonte.

Ou seja, se 100V é a tensão de dreno e 110V é aplicado na porta / fonte, o dreno de 100V é levado para a fonte, anulando o potencial aplicado da porta / fonte 100V, permitindo apenas o máximo Procedimentos de operação de 10 V. Portanto, o mosfet pode funcionar com segurança sem queimar.

O que é o Bootstrapping?

A partir dos parágrafos acima, entendemos por que exatamente precisamos cerca de 10V acima da tensão de dreno como Vgs para os mosfets laterais altos em uma ponte H.

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

No driver IC de ponte H padrão, a partida é realizada adicionando um diodo e um capacitor de alta tensão com a porta / fonte dos mosfets laterais altos.

Quando o mosfet do lado inferior está ativado (o FET do lado superior está desativado), o pino HS e o nó do comutador são aterrados. O Vdd A alimentação, através do capacitor de derivação, carrega o capacitor de partida através do diodo de partida e do resistor.

Quando o lado baixo FET está desligado e o lado alto está ligado, o pino HS do controlador da porta e o nó do comutador se conectam ao barramento de alta tensão HV; o capacitor de partida descarrega parte da tensão armazenada (acumulada durante a sequência de carregamento) para o lado alto FET através dos pinos HO e HS do controlador da porta, conforme mostrado na figura.

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

Implementando um circuito prático

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

A operação do design do aplicativo da ponte H acima pode ser entendida com os seguintes pontos:

O aspecto crucial aqui é desenvolver uma tensão entre os 10uF para que seja igual à “tensão de carga desejada” mais a alimentação de 12V nas portas MOSFET do lado superior durante seus períodos de inicialização.

A configuração mostrada executa isso com muita eficiência.

Imagine o relógio n. ° 1 está alto e o relógio é n. ° 2 é baixo (já que eles devem estar sincronizando alternadamente).

Nessa situação, o mosfet superior direito é desativado, enquanto o mosfet inferior esquerdo é ativado.

O capacitor de 10uF carrega rapidamente até + 12V através do diodo 1N4148 e reduz a fonte de drenagem / mosfet.

No instante seguinte, assim que o relógio não. ° 1 fica baixo e o relógio n. 2 fica alto, a carga através dos 10uF esquerdos liga o MOSFET superior esquerdo, que começa a dirigir imediatamente.

Nessa situação, sua tensão de dreno começa a correr em direção à sua fonte e, simultaneamente, as tensões começam a empurrar em direção ao capacitor de 10uF, de modo que a carga de + 12V existente “fique” nessas tensões que empurram instantaneamente do terminal MOSFET. .

Essa adição do potencial de dreno no capacitor de 10uF através do terminal de origem garante que os dois potenciais sejam somados e permite que o potencial instantâneo através da porta / fonte do MOSFET esteja em torno de + 12V acima do potencial de dreno. .

Por exemplo, se a tensão de dreno for selecionada como 100V, esse 100V empurra em direção a 10uF, causando uma tensão potencial no desvio da tensão de desvio que permanece em +12 logo acima de 100V.

Espero que isso tenha ajudado você a entender operação básica da bota lateral alta usando uma rede de diodos de capacitor discretos.

conclusão

A partir da discussão anterior, entendemos que o início é crucial para todas as topologias da ponte H para permitir a ignição eficaz de mosfets do lado superior.

Nesse processo, um capacitor selecionado corretamente através do emissor / emissor do lado alto do mosfet é carregado em 12V maior que o nível de tensão de drenagem aplicado. Somente quando isso acontece, os mosfets do lado superior podem LIGAR e concluir a alteração push-pull pretendida da carga conectada.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

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