Загрузка H-моста

Самостоятельная загрузка - это важный аспект, который вы найдете во всех сетях H-bridge или full bridge с N-канальными MOSFET-модулями.

Это процесс, при котором клеммы затвор / исток полевых МОП-транзисторов высокого напряжения переключаются с напряжением, которое как минимум на 10 В выше, чем напряжение стока. Это означает, что если напряжение стока составляет 100 В, то эффективное напряжение затвор / исток должно быть 110 В, чтобы обеспечить полную передачу 100 В со стока на исток полевого МОП-транзистора высокого напряжения.

Без самонастройка установка топологии H-моста с идентичными МОП-транзисторами просто не будет работать.

Мы постараемся разобраться в деталях с помощью пошагового объяснения.

Сеть самонастройки становится необходимой только тогда, когда все 4 устройства в H-мосту идентичны своей полярности. Обычно это n-канальные МОП-транзисторы (4 p-канала никогда не используются по очевидным причинам).

На следующем изображении показана стандартная конфигурация n-канального H-моста.

Основная функция этой топологии МОП-транзистора - переключение «нагрузки» или первичной обмотки трансформатора на этой схеме триггером. То есть создать переменный двухтактный ток через подключенную обмотку трансформатора.

Для этого одновременно включаются и выключаются диагональные МОП-транзисторы. И это чередуется поочередно для диагональных пар. Например, пары Q1 / Q4 и Q2 / Q3 вместе включаются / выключаются поочередно. Когда Q1 / Q4 включен, Q2 / Q3 выключен, и наоборот.

Вышеупомянутое действие заставляет ток попеременно менять свою полярность на подключенной обмотке трансформатора. Это, в свою очередь, приводит к тому, что индуцированное высокое напряжение на вторичной обмотке трансформатора также меняет свою полярность, создавая на вторичной стороне трансформатора требуемый переменный или переменный выходной сигнал.

Что такое мосфеты с высокой и низкой стороны

Верхние Q1 / Q2 называются МОП-транзисторами высокой стороны, а нижние Q3 / Q4 называются МОП-транзисторами нижней стороны.

Опорные выводы МОП-транзистора со стороны низкого уровня (клеммы источника) соответствующим образом соединены с линией заземления. Однако высокая сторона не Mosfet имеют доступа к опорной линии заземления напрямую, а не подключены к первичной обмотке трансформатора.

Мы знаем, что «источник» терминал МОП или эмиттером для биполярного транзистора должен быть подключен к общей линии заземления (или общей опорной линии), с тем чтобы он мог проводить и коммутировать нагрузку нормально.

В H-мосте, поскольку МОП-транзисторы высокого уровня не могут напрямую получить доступ к общей земле, их эффективное включение с помощью обычного затвора постоянного тока (Vgs) становится невозможным.

Вот где возникает проблема, и решающее значение приобретает сеть самонастройки.

Почему это проблема?

Все мы знаем, что BJT требует минимум 0,6 В между его базой / эмиттером для полной проводимости. Точно так же МОП-транзистор требует от 6 до 9 В на затворе / истоке для полного проведения.

Здесь «полностью» означает оптимальную передачу напряжения стока МОП-транзистора или напряжения коллектора BJT на соответствующие клеммы истока / эмиттера в ответ на входное напряжение затвора / базы.

В H-мосте МОП-транзисторы нижнего уровня не имеют проблем с параметрами переключения, и их можно переключать нормально и оптимально без каких-либо специальных схем.

Это связано с тем, что вывод истока всегда находится под нулевым потенциалом или потенциалом земли, что позволяет поднять затвор на заданное значение 12 В или 10 В над источником. Это соответствует необходимым условиям переключения МОП-транзистора и позволяет ему полностью опускать сливную нагрузку на уровень земли.

Теперь обратите внимание на МОП-транзисторы с высокой стороны. Если мы подадим 12 В на его затвор / исток, МОП-транзистор сначала будет хорошо реагировать и начнет проводить напряжение стока к клеммам истока. Однако, пока это происходит, из-за наличия нагрузки (первичной обмотки трансформатора) на выводе истока начинает расти потенциал.

Когда этот потенциал превышает 6 В, МОП-транзистор начинает останавливаться, потому что у него больше нет «пространства» для проведения, и к тому времени, когда потенциал источника достигает 8 В или 10 В, МОП-транзистор просто перестает проводить.

Давайте разберемся в этом с помощью следующего простого примера.

Здесь можно увидеть, что нагрузка подключена к источнику МОП-транзистора, имитируя состояние МОП-транзистора на верхней стороне в H-мосте.

В этом примере, если вы измеряете напряжение на двигателе, вы обнаружите, что оно составляет всего 7 В, хотя на стороне стока подается 12 В.

Это потому, что 12-7 = 5 В является минимальным затвором / истоком или V_GSэто используется МОП-транзистором, чтобы поддерживать проводимость. Поскольку здесь используется двигатель на 12 В, он все еще вращается с питанием 7 В.

Если предположить, что мы использовали двигатель 50 В с питанием 50 В на стоке и 12 В на затворе / истоке, мы можем увидеть только 7 В на источнике, не вызывая абсолютно никакого движения на двигателе 50 В.

Однако, если мы подадим около 62 В на затвор / исток МОП-транзистора. Это мгновенно включит МОП-транзистор, и его напряжение истока начнет быстро расти, пока не достигнет максимального уровня стока 50 В. Но даже при напряжении источника 50 В, затвор, составляющий 62 В, будет на 62-50 = 12 В выше, чем источник, что обеспечивает полную проводимость МОП-транзистора и двигателя.

Это означает, что клеммы затвора истока в приведенном выше примере потребуют чего-то около 50 + 12 = 62 В, чтобы включить полную скорость на двигателе 50 В. Потому что это позволяет правильно поднять уровень напряжения затвора МОП-транзистора до указанного уровня 12 В. над источником .

Почему Mosfet не горит при таком высоком напряжении питания

Это потому, что как только напряжение затвора (В_GS), высокое напряжение на стороне стока мгновенно включается, и оно устремляется к клемме истока, нейтрализуя избыточное напряжение затвора / истока. Наконец, на затворе / источнике отображается только эффективное напряжение 12 В или 10 В.

Это означает, что если 100 В - это напряжение стока, а 110 В приложено к затвору / истоку, 100 В от стока устремляется к истоку, обнуляя приложенный потенциал затвор / исток 100 В, позволяя управлять процедурами только плюс 10 В. Таким образом, МОП-транзистор может безопасно работать без возгорания.

Что такое бутстреппинг

Из приведенных выше абзацев мы поняли, почему нам нужно примерно на 10 В выше, чем напряжение стока, как Vgs для полевых МОП с высокой стороной в H-мосте.

Сеть схем, в которой выполняется описанная выше процедура, называется сетью самонастройки в схеме H-моста.

В стандартной ИС драйвера H-моста самонастройка достигается за счет добавления диода и высоковольтного конденсатора с затвором / истоком МОП-транзисторов на стороне высокого напряжения.

Когда МОП-транзистор нижнего уровня включен (полевой транзистор верхнего уровня выключен), вывод HS и узел переключения заземлены. V_ддпитание через байпасный конденсатор заряжает загрузочный конденсатор через загрузочный диод и резистор.

Когда нижний полевой транзистор выключен, а верхний включен, вывод HS драйвера затвора и узел переключения подключаются к шине высокого напряжения HV, конденсатор начальной загрузки разряжает часть сохраненного напряжения (собранного во время зарядки последовательность) к полевому транзистору верхнего плеча через выводы HO и HS драйвера затвора, как показано на рис.

Для получения дополнительной информации вы можете обратиться к к этой статье

Реализация практической схемы

После тщательного изучения вышеизложенной концепции вы все еще можете быть сбиты с толку относительно правильного метода реализации схемы H-Bridge? Итак, вот схема приложения для всех вас с подробным описанием.

Работу вышеуказанного проекта приложения H-bridge можно понять по следующим пунктам:

Ключевым аспектом здесь является создание напряжения на 10 мкФ, чтобы оно стало равным «желаемому напряжению нагрузки» плюс напряжение питания 12 В на затворах полевых МОП-транзисторов высокого напряжения во время их периодов включения.

Показанная конфигурация выполняет это очень эффективно.

Представьте, что часы №1 на высоком уровне, а часы №2 на низком уровне (поскольку они должны работать поочередно).

В этой ситуации верхний правый МОП становится выключенным, а нижний левый МОП-транзистор включен.

Конденсатор 10 мкФ быстро заряжается до +12 В через диод 1N4148 и нижний сток / исток МОП-транзистора.

В следующий момент, как только часы №1 становятся низкими, а часы №2 становятся высокими, заряд в 10 мкФ включает верхний левый MOSFET, который немедленно начинает проводить.

В этой ситуации напряжение на его стоке начинает стремительно приближаться к источнику, и одновременно напряжения начинают давить на конденсатор 10 мкФ таким образом, что существующий заряд +12 В «сидит» над этим мгновенно толкающим напряжениями с вывода MOSFET.

Это добавление потенциала стока в конденсатор 10 мкФ через вывод истока гарантирует, что два потенциала складываются и позволяют мгновенному потенциалу на затворе / истоке полевого МОП-транзистора быть примерно на +12 В выше потенциала стока.

Например, если напряжение стока выбрано равным 100 В, то эти 100 В подталкиваются к 10 мкФ, вызывая непрерывно компенсирующее потенциальное напряжение затвора, которое поддерживается на уровне +12 чуть выше 100 В.

Надеюсь, это помогло вам понять базовая работа бутстреппинга с высокой стороны с использованием дискретной конденсаторной диодной сети.

Вывод

Из приведенного выше обсуждения мы понимаем, что самозагрузка имеет решающее значение для всех топологий H-мостов, чтобы обеспечить эффективное включение полевых МОП-транзисторов с высокой стороной.

В этом процессе правильно выбранный конденсатор на затворе / эмиттере МОП-транзистора со стороны высокого напряжения заряжается до 12 В выше, чем приложенный уровень напряжения стока. Только когда это происходит, МОП-транзисторы на стороне высокого напряжения могут включиться и завершить предполагаемое двухтактное переключение подключенной нагрузки.