O que é bootstrapping? – H-bridge – full bridge

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 10V superior à tensão de dreno. Ou seja, se a tensão de dreno for 100V, a tensão de porta/fonte efetiva deve ser 110V para permitir a transferência total de 100V do dreno para a fonte do mosfet do lado alto.

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

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

Uma rede de bootstrapping torna-se necessária apenas quando todos os 4 dispositivos na H-bridge são idênticos com sua polaridade. Normalmente são mosfets do n-channel (4 p-channel nunca são usados ​​devido a razões óbvias).

A imagem a seguir mostra uma configuração padrão do n-channel H-bridge

Topologia em ponte H com mosfets de canal 4N

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 H-bridge, 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 0,6V 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, “fully” 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 H-bridge, os mosfets do lado inferior não têm problemas com seus parâmetros de comutação 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 12V ou 10V 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 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 esse potencial sobe para mais 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 origem do mosfet, imitando uma condição de mosfet Hi-side em uma H-bridge.

 

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

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

Se supormos 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 no portão/fonte do mosfet. Isso ligaria instantaneamente o mosfet, e a tensão de sua fonte começaria a aumentar rapidamente até atingir o nível máximo de drenagem de 50V. Mas mesmo com a tensão da fonte de 50V, o gate sendo 62V ainda seria 62-50=12V mais alto do 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=62V para permitir uma comutação de velocidade total no motor de 50V. Porque isso permite que o nível de tensão da porta do mosfet seja adequadamente elevado no nível especificado de 12V acima da fonte.

Por que o Mosfet não queima com Vgs tão alto

É porque assim que a tensão da porta (Vgs) 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 12V ou 10V efetivos são renderizados no gate/fonte.

Ou seja, se 100V é a tensão de dreno, e 110V é aplicado na porta/fonte, os 100V do dreno sobe na fonte, anulando o potencial de porta/fonte aplicado 100V, permitindo apenas mais 10V 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 mais alta do que a tensão de dreno como Vgs para os mosfets do lado alto em uma H-bridge.

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

No IC driver do H-bridge 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. A alimentação Vdd , através do capacitor de bypass, carrega o capacitor bootstrap através do diodo e resistor bootstrap.

Quando o FET do lado baixo é 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 a sequência de carregamento) para o FET do lado alto através dos pinos HO e HS do acionador de portão, conforme mostrado.

Para obter mais informações sobre isso, você pode consultar 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 H-bridge 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 12V 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 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 para o capacitor de 10uF de tal forma que a carga existente de + 12V “senta” sobre este empurrando instantaneamente as tensões do terminal MOSFET.

Esta adição do potencial de drenagem 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 100V, então esse 100V empurra para 10uF causando uma tensão de porta potencial de compensação contínua que se mantém em +12 logo acima de 100V.

Espero que isso tenha ajudado você a entender o funcionamento básico do bootstrapping do lado alto usando uma rede de diodos de capacitores discretos.

Conclusão

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

Neste processo, um capacitor apropriadamente selecionado 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 concluir a comutação push pull pretendida da carga conectada.


FONTE

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

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