H-Bridge Bootstrapping

Bootstrapping là một khía cạnh quan trọng mà bạn sẽ tìm thấy trong tất cả các mạng H-bridge hoặc đầy đủ với các mosfet kênh N.

Đó là một quá trình trong đó các cực cổng / nguồn của các mosfet phía cao được chuyển đổi với điện áp cao hơn điện áp cống của nó ít nhất 10V. Có nghĩa là, nếu điện áp cống là 100V, thì điện áp nguồn / cổng hiệu dụng phải là 110V để có thể chuyển toàn bộ 100V từ cống sang nguồn của mosfet phía cao.

Không có bootstrapping cơ sở một cấu trúc liên kết cầu H với các mosfet giống hệt nhau sẽ không hoạt động.

Chúng tôi sẽ cố gắng hiểu chi tiết thông qua giải thích từng bước.

Mạng khởi động chỉ trở nên cần thiết khi tất cả 4 thiết bị trong cầu H giống hệt cực tính của chúng. Thông thường đây là các mosfet kênh n (4 kênh p không bao giờ được sử dụng vì những lý do rõ ràng).

Hình ảnh sau đây cho thấy cấu hình cầu H kênh n tiêu chuẩn

Chức năng chính của cấu trúc liên kết mosfet này là chuyển đổi 'tải' hoặc máy biến áp sơ cấp trong sơ đồ này, theo cách lật. Có nghĩa là, để tạo ra một dòng điện đẩy xoay chiều qua cuộn dây máy biến áp được kết nối.

Để thực hiện điều này, các mosfet được sắp xếp theo đường chéo được BẬT / TẮT đồng thời. Và điều này được tuần hoàn luân phiên cho các cặp đường chéo. Ví dụ, các cặp Q1 / Q4 và Q2 / Q3 cùng nhau được BẬT / TẮT, luân phiên. Khi Q1 / Q4 BẬT, Q2 / Q3 TẮT và ngược lại.

Hành động trên buộc dòng điện thay đổi luân phiên các cực của nó trên cuộn dây máy biến áp được kết nối. Điều này đến lượt nó làm cho điện áp cao cảm ứng trên thứ cấp của máy biến áp cũng thay đổi cực của nó, tạo ra đầu ra xoay chiều hoặc xoay chiều dự kiến ​​ở phía thứ cấp của máy biến áp.

Mosfet bên cao bên thấp là gì

Q1 / Q2 trên được gọi là mosfet phía cao, và Q3 / Q4 thấp hơn được gọi là mosfet phía thấp.

MOSFET phía thấp có các dây dẫn tham chiếu của chúng (đầu cuối nguồn) được kết nối thích hợp với đường đất. Tuy nhiên các mosfet bên cao không có quyền truy cập trực tiếp vào đường đất tham chiếu, thay vào đó được kết nối với máy biến áp sơ cấp.

Chúng ta biết thiết bị đầu cuối 'nguồn' của một mosfet hoặc bộ phát cho BJT phải được kết nối với đường nối đất chung (hoặc đường tham chiếu chung) để cho phép nó dẫn và chuyển tải bình thường.

Trong một cầu nối H vì các mosfet phía cao không thể truy cập trực tiếp vào điểm chung, nên việc BẬT chúng một cách hiệu quả với một cổng DC (Vgs) bình thường trở nên không thể.

Đây là nơi vấn đề phát sinh và mạng khởi động trở nên quan trọng.

Tại sao đây là một vấn đề?

Tất cả chúng ta đều biết rằng một BJT yêu cầu tối thiểu 0,6V giữa đế / bộ phát của nó để dẫn điện hoàn toàn. Tương tự, một mosfet yêu cầu khoảng 6 đến 9V trên cổng / nguồn của nó để dẫn đầy đủ.

Ở đây, 'đầy đủ' có nghĩa là chuyển tối ưu điện áp cống mosfet hoặc điện áp bộ thu BJT đến các đầu cuối nguồn / cực phát tương ứng của chúng, đáp ứng với đầu vào điện áp cổng / cơ sở.

Trong một cầu H, các mosfet bên thấp không có vấn đề gì với các thông số chuyển mạch của chúng và chúng có thể được chuyển đổi bình thường và tối ưu mà không cần bất kỳ mạch đặc biệt nào.

Điều này là do chân nguồn luôn ở mức 0 hoặc điện thế nối đất cho phép cổng được nâng lên ở mức 12V hoặc 10V được chỉ định so với nguồn. Điều này đáp ứng các điều kiện chuyển đổi cần thiết của mosfet và cho phép nó kéo tải cống xuống mặt đất hoàn toàn.

Bây giờ, hãy quan sát các mosfet bên cao. Nếu chúng tôi áp dụng 12V qua cổng / nguồn của nó, ban đầu các mosfet đáp ứng tốt và bắt đầu dẫn điện áp xả về phía các đầu cuối nguồn. Tuy nhiên, trong khi điều này xảy ra, do sự hiện diện của tải (cuộn sơ cấp của máy biến áp), chân nguồn bắt đầu có điện thế tăng.

Khi điện thế này tăng hơn 6V, mosfet bắt đầu ngừng hoạt động, vì nó không còn 'không gian' để dẫn điện, và đến thời điểm điện thế nguồn đạt 8V hoặc 10V, mosfet chỉ ngừng dẫn.

Hãy hiểu điều này với sự trợ giúp của ví dụ đơn giản sau đây.

Ở đây có thể thấy tải được kết nối tại nguồn của mosfet, bắt chước điều kiện Mosfet Hi-side trong một cầu H.

Trong ví dụ này, nếu bạn đo điện áp trên động cơ, bạn sẽ thấy nó chỉ là 7V, mặc dù 12V được đặt ở phía cống.

Điều này là do 12 - 7 = 5V là cổng / nguồn tối thiểu trần hoặc V_gsđang được sử dụng bởi mosfet để giữ cho sự dẫn điện BẬT. Vì động cơ ở đây là động cơ 12V nên nó vẫn quay với nguồn 7V.

Nếu giả sử chúng ta sử dụng động cơ 50V với nguồn cung cấp 50V trên cống và 12V trên cổng / nguồn, chúng ta có thể chỉ thấy 7V trên nguồn, hoàn toàn không tạo ra chuyển động trên động cơ 50V.

Tuy nhiên, nếu chúng ta áp dụng xung quanh 62V qua cổng / nguồn của mosfet. Điều này sẽ ngay lập tức BẬT MOSFET và điện áp nguồn của nó sẽ nhanh chóng bắt đầu tăng cho đến khi nó đạt đến mức cống tối đa 50V. Nhưng ngay cả ở điện áp nguồn 50V, cổng 62V vẫn cao hơn nguồn 62 - 50 = 12V, cho phép dẫn đầy đủ của mosfet và động cơ.

Điều này có nghĩa là, các đầu nối nguồn cổng trong ví dụ trên sẽ yêu cầu khoảng 50 + 12 = 62V để kích hoạt công tắc tốc độ đầy đủ trên động cơ 50V. Vì điều này cho phép mức điện áp cổng của mosfet được nâng lên đúng mức ở mức 12V được chỉ định phía trên nguồn .

Tại sao Mosfet không ghi với Vgs cao như vậy

Đó là vì ngay khi điện áp cổng (V_gs) được áp dụng, điện áp cao phía cống ngay lập tức được BẬT và nó lao vào đầu cực nguồn để hủy bỏ điện áp nguồn / cổng dư thừa. Cuối cùng, chỉ có 12V hoặc 10V hiệu dụng được hiển thị tại cổng / nguồn.

Có nghĩa là, nếu 100V là điện áp xả và 110V được áp dụng trên cổng / nguồn, thì 100V từ cống sẽ lao vào nguồn, vô hiệu hóa điện thế 100V của cổng / nguồn được áp dụng, chỉ cho phép 10V cộng thêm để vận hành các quy trình. Do đó mosfet có thể hoạt động an toàn mà không bị cháy.

Bootstrapping là gì

Từ các đoạn trên, chúng ta đã hiểu tại sao chính xác chúng ta cần cao hơn khoảng 10V so với điện áp cống làm Vgs cho các mosfet phía cao trong cầu H.

Mạng mạch thực hiện quy trình trên được gọi là mạng khởi động trong mạch cầu H.

Trong vi mạch điều khiển cầu H tiêu chuẩn, việc khởi động đạt được bằng cách thêm một diode và một tụ điện cao áp với cổng / nguồn của các mosfet phía cao.

Khi MOSFET phía thấp được bật (FET phía cao tắt), chân HS và nút chuyển mạch được nối đất. Chữ V_ddcung cấp, thông qua tụ điện bỏ qua, sạc tụ điện bootstrap thông qua diode bootstrap và điện trở.

Khi FET phía thấp được tắt và phía cao đang bật, chân HS của trình điều khiển cổng và nút chuyển mạch được kết nối với xe buýt điện áp cao HV, tụ điện bootstrap phóng điện một phần điện áp được lưu trữ (được thu thập trong quá trình sạc trình tự) tới FET phía cao thông qua các chân HO và HS của trình điều khiển cổng như được hiển thị trong.

Để biết thêm thông tin về điều này bạn có thể tham khảo đến bài báo này

Triển khai một mạch thực tế

Sau khi tìm hiểu kỹ khái niệm ở trên, bạn có thể vẫn còn nhầm lẫn về phương pháp thực hiện đúng mạch H-Bridge? Vì vậy, đây là một mạch ứng dụng cho tất cả các bạn, với một mô tả chi tiết.

Hoạt động của thiết kế ứng dụng cầu chữ H ở trên có thể được hiểu như sau:

Khía cạnh quan trọng ở đây là phát triển điện áp trên 10uF sao cho nó trở nên bằng 'điện áp tải mong muốn' cộng với nguồn cung cấp 12V tại các cửa của MOSFET phía cao, trong thời gian BẬT của chúng.

Cấu hình hiển thị thực thi điều này rất hiệu quả.

Hãy tưởng tượng đồng hồ số 1 ở mức cao và đồng hồ số 2 ở mức thấp (vì chúng được cho là chạy luân phiên).

Trong trường hợp này, mosfet trên cùng bên phải trở nên TẮT, trong khi mosfet dưới bên trái được BẬT.

Tụ 10uF nhanh chóng sạc lên đến + 12V thông qua diode 1N4148 và cống / nguồn mosfet thấp hơn.

Trong khoảnh khắc tiếp theo, ngay khi đồng hồ số 1 trở nên thấp và đồng hồ số 2 trở nên cao, điện tích bên trái 10uF sẽ BẬT MOSFET trên cùng bên trái, tức thì bắt đầu dẫn điện.

Trong tình huống này, điện áp xả của nó bắt đầu dồn về phía nguồn của nó, và đồng thời các điện áp bắt đầu đẩy vào tụ điện 10uF theo cách mà điện tích hiện có + 12V 'nằm' trên điện áp đẩy tức thời này từ đầu cuối MOSFET.

Việc bổ sung tiềm năng xả này vào tụ điện 10uF thông qua đầu nối nguồn đảm bảo rằng hai điện thế cộng lại và cho phép điện thế tức thời qua cổng / nguồn của MOSFET chỉ ở khoảng + 12V so với điện thế xả.

Ví dụ: nếu điện áp xả được chọn là 100V, thì 100V này đẩy vào 10uF gây ra điện áp cổng tiềm năng bù liên tục duy trì ở mức +12 ngay trên 100V.

Tôi hy vọng điều này đã giúp bạn hiểu hoạt động cơ bản của bootstrapping bên cao sử dụng mạng diode tụ điện rời rạc.

Phần kết luận

Từ cuộc thảo luận ở trên, chúng tôi hiểu rằng khởi động là rất quan trọng đối với tất cả các cấu trúc liên kết cầu H để cho phép BẬT hiệu quả các mosfet phía cao.

Trong quá trình này, một tụ điện được lựa chọn thích hợp qua cổng / bộ phát của MOSFET phía cao được sạc cao hơn mức điện áp xả áp dụng đến 12V. Chỉ khi điều này xảy ra, các mosfet phía cao mới có thể BẬT và hoàn thành việc chuyển đổi kéo đẩy dự kiến ​​của tải được kết nối.