Bootstrap da ponte H

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

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

Sem a facilidade de bootstrap, uma topologia H-bridge com mosfets idênticos simplesmente não funcionará.

Tentaremos entender os detalhes através de uma explicação passo a passo.

Uma rede de bootstrapping torna-se necessária apenas quando todos os 4 dispositivos na ponte H são idênticos com sua polaridade. Geralmente estes são mosfets de canal n (o canal 4 p nunca é usado devido a razões óbvias).

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

Topologia de ponte H usando mosfets de canal de 4 N

A principal função desta topologia de mosfet é comutar a “carga” ou o primário do transformador neste diagrama, de forma flip-flop. Ou seja, para criar uma corrente push-pull alternada no enrolamento do transformador conectado.

Para implementar isso, os mosfets dispostos diagonalmente são ligados/desligados simultaneamente. E isso é alternado 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 alterar alternadamente sua polaridade no enrolamento do transformador conectado. Isso, por sua vez, faz com que a alta tensão induzida no secundário do transformador também mude sua polaridade, produzindo a saída CA ou alternada pretendida no lado secundário do transformador.

O que são Mosfets High-Side Low-Side

Os Q1/Q2 superiores são chamados de mosfets laterais altos, e os Q3/Q4 inferiores são chamados de mosfets laterais baixos.

Os mosfets do lado baixo têm seus cabos de referência (terminais de fonte) conectados adequadamente à linha de aterramento. No entanto, o mosfet do lado alto não tem acesso direto à linha de aterramento de referência, em vez disso, é conectado 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 ele conduza e comute 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 um portão normal DC (Vgs) torna-se impossível.

É aqui que surge o problema, e uma rede de bootstrapping se torna crucial.

Por que isso é um problema?

Todos 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 9V em sua porta/fonte para conduzir totalmente.

Aqui, “totalmente” significa transferência ideal da tensão de dreno 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 baixo não têm problemas com seus parâmetros de comutação e podem ser comutados normalmente e de maneira ideal 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 necessárias do mosfet e permite que ele puxe totalmente a carga de drenagem para o nível do solo.

Agora, observe os mosfets laterais altos. Se aplicarmos 12V 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 apresentar um potencial crescente.

Quando este potencial sobe acima de 6V, o mosfet começa a parar, porque não tem mais “espaço” para conduzir, e quando o potencial da fonte atinge 8V ou 10V, o mosfet simplesmente 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 Hi-side em uma ponte H.

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

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

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

No entanto, se aplicarmos cerca de 62V na porta/fonte do mosfet. Isso ligaria instantaneamente o mosfet, e sua tensão de fonte começaria a subir rapidamente até atingir o nível máximo de dreno de 50V. Mas mesmo na tensão da fonte de 50V, o gate sendo 62V ainda seria 62 – 50 = 12V maior que a fonte, permitindo uma condução completa do mosfet e do motor.

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

Por que o Mosfet não queima com Vgs tão altos

É porque assim que a tensão da porta (Vgs) é aplicado, a alta tensão do lado do dreno é instantaneamente ligada e corre no terminal da fonte, cancelando o excesso de tensão da porta/fonte. Finalmente, apenas os 12V ou 10V efetivos são renderizados na porta/fonte.

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

O que é Bootstrap

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

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

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

Quando o mosfet do lado baixo está ligado (o FET do lado alto está desligado), o pino HS e o nó do switch são aterrados. O Vdd alimentação, através do capacitor de bypass, carrega o capacitor de bootstrap através do diodo e resistor de bootstrap.

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

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

Implementação de um circuito prático

Depois de aprender completamente o conceito acima, você ainda pode estar confuso sobre o método correto de implementar um circuito H-Bridge? Então 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 entendido com os seguintes pontos:

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

A configuração mostrada executa isso com muita eficiência.

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

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 de mosfet inferior.

No instante seguinte, assim que o clock #1 fica baixo e o clock #2 fica alto, a carga nos 10uF esquerdos 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 o capacitor de 10uF de tal forma que a carga existente +12V “fica” sobre essas tensões 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 somem e permitam que o potencial instantâneo através da porta/fonte do MOSFET seja apenas cerca de +12V acima do potencial de dreno.

Por exemplo, se a tensão de dreno for selecionada para ser 100V, então esses 100V são empurrados para os 10uF, causando uma tensão de porta potencial de compensação contínua que se mantém em +12 logo acima dos 100V.

Espero ter ajudado você a entender o funcionamento básico do bootstrapping high side usando rede de diodos capacitores discretos.

Conclusão

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

Neste processo, um capacitor selecionado apropriadamente através da porta/emissor do mosfet do lado alto é carregado a 12V mais alto do que o 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.

Hashtags: #Bootstrap #ponte
 

FONTE


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