Bootstrapping de puente H

Bootstrapping es un aspecto crucial que encontrará en todas las redes de puente H o puente completo con mosfets de canal N.

Es un proceso en el que los terminales de puerta / fuente de los mosfets del lado alto se conmutan con un voltaje que es al menos 10 V más alto que su voltaje de drenaje. Es decir, si el voltaje de drenaje es de 100 V, entonces el voltaje de puerta / fuente efectivo debe ser de 110 V para permitir la transferencia completa de los 100 V desde el drenaje a la fuente del mosfet del lado alto.

Sin que bootstrapping instalar una topología de puente H con mosfets idénticos simplemente no funcionará.

Intentaremos comprender los detalles a través de una explicación paso a paso.

Una red de arranque se vuelve necesaria solo cuando los 4 dispositivos en el puente H son idénticos con su polaridad. Por lo general, estos son mosfets de canal n (el canal 4 p nunca se usa debido a razones obvias).

La siguiente imagen muestra una configuración estándar de puente H de canal n

La función principal de esta topología mosfet es cambiar la 'carga' o el primario del transformador en este diagrama, en forma de flip-flop. Es decir, para crear una corriente alterna de vaivén a través del devanado del transformador conectado.

Para implementar esto, los mosfets dispuestos en diagonal se encienden / apagan simultáneamente. Y esto se cicla alternativamente para los pares diagonales. Por ejemplo, los pares Q1 / Q4 y Q2 / Q3 se encienden / apagan juntos, alternativamente. Cuando Q1 / Q4 está activado, Q2 / Q3 está desactivado y viceversa.

La acción anterior fuerza a la corriente a cambiar alternativamente su polaridad a través del devanado del transformador conectado. Esto, a su vez, hace que el alto voltaje inducido a través del secundario del transformador también cambie su polaridad, produciendo la CA prevista o la salida alterna en el lado secundario del transformador.

¿Qué son los Mosfets de lado alto y lado bajo?

Los Q1 / Q2 superiores se denominan mosfets del lado alto, y los Q3 / Q4 inferiores se denominan mosfets del lado bajo.

El mosfet del lado bajo tiene sus cables de referencia (terminales de fuente) conectados apropiadamente con la línea de tierra. Sin embargo, los mosfet del lado alto no tienen acceso a la línea de tierra de referencia directamente, sino que están conectados al primario del transformador.

Sabemos que la terminal de 'fuente' de un mosfet o el emisor de un BJT debe estar conectado a la línea de tierra común (o la línea de referencia común) para permitirle conducir y cambiar una carga normalmente.

En un puente H, dado que los mosfets del lado alto no pueden acceder a la tierra común directamente, encenderlos de manera efectiva con una puerta normal DC (Vgs) se vuelve imposible.

Aquí es donde surge el problema y una red de arranque se vuelve crucial.

¿Por qué esto es un problema?

Todos sabemos que un BJT requiere un mínimo de 0.6V entre su base / emisor para conducir completamente. De manera similar, un mosfet requiere alrededor de 6 a 9 V a través de su puerta / fuente para conducir completamente.

Aquí, 'completamente' significa transferencia óptima del voltaje de drenaje del mosfet o el voltaje del colector BJT a sus respectivos terminales de fuente / emisor, en respuesta a la entrada de voltaje de puerta / base.

En un puente en H, los mosfets del lado bajo no tienen problemas con sus parámetros de conmutación y estos se pueden conmutar de manera normal y óptima sin ningún circuito especial.

Esto se debe a que el pin de la fuente siempre está a cero o potencial de tierra, lo que permite que la puerta se eleve a los 12 V o 10 V especificados por encima de la fuente. Esto cumple con las condiciones de conmutación requeridas del mosfet y le permite llevar la carga de drenaje al nivel del suelo por completo.

Ahora, observe los mosfets del lado alto. Si aplicamos 12V a través de su puerta / fuente, los mosfets inicialmente responden bien y comienzan a conducir el voltaje de drenaje hacia los terminales de la fuente. Sin embargo, mientras esto sucede, debido a la presencia de la carga (devanado primario del transformador), el pin de la fuente comienza a experimentar un potencial creciente.

Cuando este potencial aumenta por encima de 6 V, el mosfet comienza a detenerse, porque no tiene más 'espacio' para conducir, y cuando el potencial de la fuente alcanza los 8 V o 10 V, el mosfet simplemente deja de conducir.

Entendamos esto con la ayuda del siguiente ejemplo simple.

Aquí se puede ver la carga conectada en la fuente del mosfet, imitando una condición de mosfet de lado alto en un puente en H.

En este ejemplo, si mide el voltaje en el motor, encontrará que es de solo 7 V, aunque se aplican 12 V en el lado de drenaje.

Esto se debe a que 12 - 7 = 5V es la puerta / fuente mínima desnuda o V_gsque está siendo utilizado por el mosfet para mantener la conducción encendida. Dado que el motor aquí es un motor de 12 V, todavía gira con el suministro de 7 V.

Si supongamos que usamos un motor de 50 V con suministro de 50 V en el drenaje y 12 V en la puerta / fuente, es posible que veamos solo 7 V en la fuente, sin producir absolutamente ningún movimiento en el motor de 50 V.

Sin embargo, si aplicamos alrededor de 62 V a través de la puerta / fuente del mosfet. Esto encendería instantáneamente el mosfet y su voltaje de fuente comenzaría a aumentar rápidamente hasta alcanzar el nivel máximo de drenaje de 50 V. Pero incluso con un voltaje de fuente de 50 V, la puerta de 62 V sería todavía 62 - 50 = 12 V más alta que la fuente, lo que permite una conducción completa del mosfet y el motor.

Esto implica que los terminales de la fuente de compuerta en el ejemplo anterior requerirían algo alrededor de 50 + 12 = 62V para permitir una conmutación de velocidad completa en el motor de 50V. Porque esto permite que el nivel de voltaje de la puerta del mosfet se eleve adecuadamente al nivel especificado de 12V encima de la fuente .

¿Por qué el Mosfet no se quema con Vgs tan altos?

Es porque tan pronto como el voltaje de la puerta (V_gs), el alto voltaje del lado de drenaje se enciende instantáneamente y se precipita hacia el terminal de la fuente cancelando el exceso de voltaje de puerta / fuente. Finalmente, solo los 12V o 10V efectivos se procesan en la puerta / fuente.

Es decir, si 100 V es el voltaje de drenaje y se aplican 110 V en la puerta / fuente, los 100 V del drenaje se precipitan en la fuente, anulando el potencial de puerta / fuente aplicado de 100 V, permitiendo que solo los más 10 V operen los procedimientos. Por lo tanto, el mosfet puede funcionar de forma segura sin quemarse.

¿Qué es Bootstrapping?

De los párrafos anteriores entendimos por qué exactamente necesitamos alrededor de 10 V más alto que el voltaje de drenaje como Vgs para los mosfets del lado alto en un puente H.

La red de circuito que realiza el procedimiento anterior se denomina red de arranque en un circuito de puente H.

En el controlador IC de puente H estándar, el arranque se logra agregando un diodo y un capacitor de alto voltaje con la puerta / fuente de los mosfets del lado alto.

Cuando el mosfet del lado bajo está encendido (el FET del lado alto está apagado), el pin HS y el nodo del interruptor están conectados a tierra. La V_ddsuministro, a través del condensador de derivación, carga el condensador de arranque a través del diodo de arranque y la resistencia.

Cuando el FET del lado bajo está apagado y el lado alto está encendido, el pin HS del controlador de puerta y el nodo del interruptor se conectan al bus de alto voltaje HV, el capacitor de arranque descarga parte del voltaje almacenado (recolectado durante la carga secuencia) al FET del lado alto a través de los pines HO y HS del controlador de puerta como se muestra en.

Para obtener más información sobre esto, puede consultar a este artículo

Implementación de un circuito práctico

Después de aprender el concepto anterior a fondo, es posible que aún esté confundido con respecto al método correcto de implementar un circuito H-Bridge. Así que aquí hay un circuito de aplicación para todos ustedes, con una descripción detallada.

El funcionamiento del diseño de la aplicación del puente H anterior se puede entender con los siguientes puntos:

El aspecto crucial aquí es desarrollar un voltaje a través de los 10uF de manera que sea igual al 'voltaje de carga deseado' más el suministro de 12V en las puertas de los MOSFET del lado alto, durante sus períodos de ENCENDIDO.

La configuración mostrada ejecuta esto de manera muy eficiente.

Imagine que el reloj n. ° 1 está alto y el reloj n. ° 2 está bajo (ya que se supone que marcan alternativamente).

En esta situación, el mosfet superior derecho se apaga, mientras que el mosfet inferior izquierdo está encendido.

El capacitor de 10uF carga rápidamente hasta + 12V a través del diodo 1N4148 y el drenaje / fuente de mosfet inferior.

En el siguiente instante, tan pronto como el reloj # 1 se vuelve bajo y el reloj # 2 se vuelve alto, la carga a través del 10uF izquierdo enciende el MOSFET superior izquierdo que inmediatamente comienza a conducir.

En esta situación, su voltaje de drenaje comienza a apresurarse hacia su fuente, y simultáneamente los voltajes comienzan a empujar hacia el capacitor de 10uF de tal manera que la carga existente + 12V 'se asienta' sobre este voltaje de empuje instantáneo desde el terminal MOSFET.

Esta adición del potencial de drenaje en el capacitor de 10uF a través del terminal de fuente asegura que los dos potenciales se sumen y permitan que el potencial instantáneo a través de la puerta / fuente del MOSFET esté alrededor de + 12V por encima del potencial de drenaje.

Por ejemplo, si el voltaje de drenaje se selecciona para ser 100 V, entonces este 100 V empuja hacia los 10 uF causando un voltaje de compuerta potencial de compensación continua que se mantiene en +12 justo por encima de los 100 V.

Espero que esto te haya ayudado a comprender trabajo básico del bootstrapping del lado alto utilizando una red de diodos condensadores discretos.

Conclusión

De la discusión anterior, entendemos que el bootstrapping es crucial para todas las topologías de puente H para permitir un encendido efectivo de los mosfets del lado alto.

En este proceso, un condensador seleccionado apropiadamente a través de la puerta / emisor del mosfet del lado alto se carga a 12 V más alto que el nivel de voltaje de drenaje aplicado. Solo cuando esto sucede, los mosfets del lado alto pueden encenderse y completar la conmutación push-pull prevista de la carga conectada.