Bootstrapping เป็นสิ่งสำคัญที่คุณจะพบในเครือข่าย H-bridge หรือ full bridge ที่มี mosfets N-channel ทั้งหมด
เป็นกระบวนการที่เทอร์มินัลประตู / ต้นทางของมอสเฟ็ทด้านสูงถูกสลับด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันท่อระบายน้ำอย่างน้อย 10V ความหมายถ้าแรงดันท่อระบายน้ำคือ 100V แรงดันประตู / แหล่งจ่ายที่มีประสิทธิภาพจะต้องเป็น 110V เพื่อให้สามารถถ่ายโอน 100V จากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งที่มาของมอสเฟตด้านสูงได้อย่างเต็มที่
ไม่มี bootstrapping อำนวยความสะดวกให้กับโทโพโลยี H-bridge ด้วยมอสเฟ็ทที่เหมือนกันจะไม่ทำงาน
เราจะพยายามทำความเข้าใจรายละเอียดผ่านคำอธิบายทีละขั้นตอน
เครือข่าย bootstrapping จะมีความจำเป็นก็ต่อเมื่ออุปกรณ์ทั้ง 4 ใน H-bridge เหมือนกันกับขั้วของอุปกรณ์ โดยทั่วไปสิ่งเหล่านี้คือ mosfets n-channel (ไม่เคยใช้ 4 p-channel เนื่องจากเหตุผลที่ชัดเจน)
ภาพต่อไปนี้แสดงคอนฟิกูเรชัน H-bridge n-channel มาตรฐาน
หน้าที่หลักของโทโพโลยี mosfet นี้คือการเปลี่ยน 'โหลด' หรือหม้อแปลงหลักในแผนภาพนี้ในลักษณะฟลิปฟลอป ความหมายเพื่อสร้างกระแสดัน - ดึงสลับบนขดลวดหม้อแปลงที่เชื่อมต่อ
ในการดำเนินการนี้ mosfets ที่จัดเรียงตามแนวทแยงมุมจะถูกเปิด / ปิดพร้อมกัน และนี่จะวนสลับกันสำหรับคู่ทแยงมุม ตัวอย่างเช่นคู่ Q1 / Q4 และ Q2 / Q3 พร้อมกันเปิด / ปิดสลับกัน เมื่อ Q1 / Q4 เปิดอยู่ Q2 / Q3 จะปิดและในทางกลับกัน
การกระทำข้างต้นบังคับให้กระแสเปลี่ยนขั้วสลับกันระหว่างขดลวดหม้อแปลงที่เชื่อมต่ออยู่ สิ่งนี้จะทำให้แรงดันไฟฟ้าสูงที่เหนี่ยวนำทั่วตัวทุติยภูมิของหม้อแปลงเปลี่ยนขั้วด้วยทำให้เกิดกระแสไฟฟ้ากระแสสลับหรือเอาต์พุตสลับที่ด้านทุติยภูมิของหม้อแปลง
Mosfets High-Side Low-Side คืออะไร
Q1 / Q2 บนเรียกว่ามอสเฟตด้านสูงและ Q3 / Q4 ที่ต่ำกว่าเรียกว่ามอสเฟตด้านต่ำ
มอสเฟ็ทด้านต่ำมีสายนำอ้างอิง (ขั้วต้นทาง) เชื่อมต่อกับสายกราวด์อย่างเหมาะสม อย่างไรก็ตามมอสเฟ็ทด้านสูงไม่สามารถเข้าถึงสายกราวด์อ้างอิงได้โดยตรง แต่จะเชื่อมต่อกับหม้อแปลงหลักแทน
เราทราบว่าเทอร์มินัล 'ต้นทาง' ของ mosfet หรือตัวปล่อยสำหรับ BJT ต้องเชื่อมต่อกับสายกราวด์ทั่วไป (หรือสายอ้างอิงทั่วไป) เพื่อให้สามารถดำเนินการและเปลี่ยนโหลดได้ตามปกติ
ในสะพาน H เนื่องจากมอสเฟ็ทด้านสูงไม่สามารถเข้าถึงกราวด์ได้โดยตรงการเปิดอย่างมีประสิทธิภาพด้วยเกต DC (Vgs) ปกติจึงเป็นไปไม่ได้
นี่คือจุดที่เกิดปัญหาขึ้นและเครือข่าย bootstrapping กลายเป็นสิ่งสำคัญ
ทำไมถึงเป็นปัญหา?
เราทุกคนรู้ดีว่า BJT ต้องการ 0.6V ขั้นต่ำระหว่างฐาน / ตัวปล่อยเพื่อให้ทำงานได้เต็มที่ ในทำนองเดียวกัน mosfet ต้องใช้ประมาณ 6 ถึง 9V ในประตู / แหล่งที่มาเพื่อดำเนินการอย่างเต็มที่
ในที่นี้ 'เต็มที่' หมายถึงการถ่ายโอนแรงดันไฟฟ้าของท่อระบายน้ำ mosfet หรือแรงดันตัวสะสม BJT ไปยังขั้วต้นทาง / ตัวส่งสัญญาณตามลำดับเพื่อตอบสนองต่ออินพุตแรงดันประตู / ฐาน
ในสะพาน H มอสเฟ็ทด้านต่ำไม่มีปัญหากับพารามิเตอร์การสลับและสามารถเปลี่ยนได้ตามปกติและเหมาะสมที่สุดโดยไม่ต้องใช้วงจรพิเศษใด ๆ
เนื่องจากพินต้นทางอยู่ที่ศูนย์หรือศักย์กราวด์เสมอทำให้สามารถยกเกตที่ 12V หรือ 10V ที่ระบุไว้เหนือแหล่งที่มาได้ สิ่งนี้เป็นไปตามเงื่อนไขการสลับที่จำเป็นของ mosfet และช่วยให้สามารถดึงภาระท่อระบายน้ำไปที่ระดับพื้นดินได้เต็มที่
ตอนนี้สังเกตมอสเฟตด้านสูง ถ้าเราใช้ 12V กับประตู / แหล่งจ่ายมอสเฟตในตอนแรกจะตอบสนองได้ดีและเริ่มส่งแรงดันท่อระบายน้ำไปยังขั้วต้นทาง อย่างไรก็ตามในขณะนี้เกิดขึ้นเนื่องจากมีโหลด (ขดลวดหลักของหม้อแปลง) พินต้นทางเริ่มประสบกับศักยภาพที่เพิ่มขึ้น
เมื่อศักย์ไฟฟ้านี้สูงขึ้นกว่า 6V มอสเฟตจะเริ่มหยุดทำงานเนื่องจากไม่มี 'ช่องว่าง' ในการดำเนินการอีกต่อไปและเมื่อถึงเวลาที่ศักยภาพของแหล่งกำเนิดถึง 8V หรือ 10V มอสเฟ็ตก็หยุดทำงาน
มาทำความเข้าใจกันด้วยความช่วยเหลือจากตัวอย่างง่ายๆต่อไปนี้
ที่นี่สามารถมองเห็นโหลดที่เชื่อมต่อที่แหล่งที่มาของ mosfet โดยเลียนแบบสภาพมอสเฟต Hi-side ในสะพาน H
ในตัวอย่างนี้หากคุณวัดแรงดันไฟฟ้าข้ามมอเตอร์คุณจะพบว่าเป็นเพียง 7V แม้ว่าจะใช้ 12V ที่ด้านท่อระบายน้ำก็ตาม
เนื่องจาก 12 - 7 = 5V เป็นประตู / แหล่งจ่ายขั้นต่ำที่เปลือยเปล่าหรือ Vgsที่ถูกใช้โดย mosfet เพื่อให้การนำไฟฟ้าเปิดอยู่ เนื่องจากมอเตอร์ที่นี่เป็นมอเตอร์ 12V จึงยังคงหมุนด้วยแหล่งจ่าย 7V
หากสมมติว่าเราใช้มอเตอร์ 50V ที่มีแหล่งจ่าย 50V บนท่อระบายน้ำและ 12V ที่ประตู / แหล่งจ่ายเราอาจเห็นเพียง 7V ที่แหล่งกำเนิดทำให้ไม่มีการเคลื่อนไหวบนมอเตอร์ 50V อย่างแน่นอน
อย่างไรก็ตามหากเราใช้ประมาณ 62V กับประตู / แหล่งที่มาของ mosfet สิ่งนี้จะเปิด mosfet ทันทีและแรงดันไฟฟ้าของแหล่งที่มาจะเริ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนกว่าจะถึงระดับท่อระบายน้ำสูงสุด 50V แต่ถึงแม้จะใช้แรงดันไฟฟ้า 50V เกตที่ 62V ก็ยังสูงกว่าแหล่งกำเนิด 62 - 50 = 12V ทำให้สามารถนำมอสเฟ็ทและมอเตอร์ได้เต็มที่
นี่หมายความว่าเทอร์มินัลต้นทางเกตในตัวอย่างข้างต้นจะต้องมีบางอย่างประมาณ 50 + 12 = 62V เพื่อเปิดใช้งานการสลับความเร็วเต็มบนมอเตอร์ 50V เนื่องจากสิ่งนี้ช่วยให้ระดับแรงดันเกตของมอสเฟ็ทสูงขึ้นอย่างเหมาะสมที่ระดับ 12V ที่กำหนด เหนือแหล่งที่มา .
ทำไม Mosfet Burn ถึงไม่ใช้ Vgs สูง ๆ
เป็นเพราะทันทีที่แรงดันเกต (Vgs) ถูกนำไปใช้แรงดันไฟฟ้าสูงด้านท่อระบายน้ำจะเปิดทันทีและวิ่งไปที่ขั้วต้นทางเพื่อยกเลิกแรงดันประตู / แหล่งจ่ายส่วนเกิน สุดท้ายจะแสดงผลเฉพาะ 12V หรือ 10V ที่มีประสิทธิภาพที่ประตู / แหล่งที่มา
ความหมายถ้า 100V เป็นแรงดันท่อระบายน้ำและ 110V ถูกนำไปใช้กับประตู / แหล่งที่มา 100V จากท่อระบายน้ำจะวิ่งไปที่แหล่งกำเนิดทำให้ค่าศักย์ไฟฟ้าของประตู / แหล่งที่ใช้เป็นโมฆะ 100V อนุญาตให้บวก 10V เท่านั้นที่จะดำเนินการตาม ดังนั้น mosfet จึงสามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ต้องเผาไหม้
Bootstrapping คืออะไร
จากย่อหน้าข้างต้นเราเข้าใจว่าทำไมเราต้องสูงกว่าแรงดันท่อระบายน้ำประมาณ 10V เป็น Vgs สำหรับมอสเฟตด้านสูงในสะพาน H
เครือข่ายวงจรที่ทำตามขั้นตอนข้างต้นนี้เรียกว่าเครือข่าย bootstrapping ในวงจร H-bridge
ใน IC ไดรเวอร์ H-bridge มาตรฐานการบูตเครื่องทำได้โดยการเพิ่มไดโอดและตัวเก็บประจุแรงดันสูงพร้อมประตู / แหล่งที่มาของมอสเฟตด้านสูง
เมื่อมอสเฟตด้านต่ำเปิดอยู่ (FET ด้านสูงปิดอยู่) พิน HS และโหนดสวิตช์จะต่อสายดิน วีddจ่ายผ่านตัวเก็บประจุแบบบายพาสชาร์จตัวเก็บประจุ bootstrap ผ่านไดโอด bootstrap และตัวต้านทาน
เมื่อปิด FET ด้านต่ำและด้านสูงเปิดอยู่ขา HS ของตัวขับเกตและโหนดสวิตช์จะเชื่อมต่อกับบัสไฟฟ้าแรงสูง HV ตัวเก็บประจุแบบบูตจะปล่อยแรงดันไฟฟ้าที่เก็บไว้บางส่วนออก (รวบรวมระหว่างการชาร์จ ลำดับ) ไปยัง FET ด้านสูงผ่านหมุด HO และ HS ของตัวขับเกตตามที่แสดงใน.
สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งนี้คุณสามารถอ้างอิงได้ ไปที่บทความนี้
การใช้วงจรการปฏิบัติ
หลังจากเรียนรู้แนวคิดข้างต้นอย่างละเอียดแล้วคุณอาจยังสับสนเกี่ยวกับวิธีการใช้งานวงจร H-Bridge ที่ถูกต้องหรือไม่? ดังนั้นนี่คือวงจรการใช้งานสำหรับทุกคนพร้อมคำอธิบายอย่างละเอียด
การทำงานของการออกแบบแอปพลิเคชัน H-bridge ข้างต้นสามารถเข้าใจได้ด้วยประเด็นต่อไปนี้:
สิ่งสำคัญที่นี่คือการพัฒนาแรงดันไฟฟ้าข้าม 10uF เพื่อให้เท่ากับ 'แรงดันโหลดที่ต้องการ' บวกกับแหล่งจ่ายไฟ 12V ที่ประตูของ MOSFET ด้านสูงในช่วง ON
การกำหนดค่าที่แสดงจะดำเนินการนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ลองนึกภาพนาฬิกา # 1 สูงและนาฬิกา # 2 ต่ำ (เนื่องจากควรจะตอกบัตรสลับกัน)
ในสถานการณ์เช่นนี้ mosfet ด้านขวาบนจะปิดในขณะที่ mosfet ด้านซ้ายล่างเปิดอยู่
ตัวเก็บประจุ 10uF จะชาร์จได้อย่างรวดเร็วถึง + 12V ผ่านไดโอด 1N4148 และท่อระบายน้ำ / แหล่งจ่ายมอสเฟตที่ต่ำกว่า
ในช่วงเวลาถัดไปทันทีที่นาฬิกา # 1 ต่ำและนาฬิกา # 2 สูงขึ้นการชาร์จที่ด้านซ้าย 10uF จะสลับไปที่ MOSFET ด้านซ้ายบนซึ่งจะเริ่มดำเนินการทันที
ในสถานการณ์เช่นนี้แรงดันไฟฟ้าของท่อระบายน้ำจะเริ่มวิ่งไปที่แหล่งกำเนิดและในเวลาเดียวกันแรงดันไฟฟ้าจะเริ่มดันเข้าไปในตัวเก็บประจุ 10uF ในลักษณะที่ประจุที่มีอยู่ + 12V อยู่เหนือแรงดันไฟฟ้าที่ผลักทันทีจากขั้ว MOSFET
การเพิ่มศักยภาพการระบายลงในตัวเก็บประจุ 10uF ผ่านขั้วต้นทางช่วยให้มั่นใจได้ว่าศักยภาพทั้งสองเพิ่มขึ้นและเปิดใช้งานศักยภาพในทันทีข้ามเกต / แหล่งที่มาของ MOSFET ให้อยู่ที่ประมาณ + 12V เหนือศักยภาพการระบาย
ตัวอย่างเช่นหากเลือกแรงดันท่อระบายน้ำเป็น 100V จากนั้น 100V นี้จะดันเข้าไปใน 10uF ทำให้เกิดแรงดันเกตที่ชดเชยได้อย่างต่อเนื่องซึ่งคงไว้ที่ +12 เหนือ 100V
ฉันหวังว่านี่จะช่วยให้คุณเข้าใจไฟล์ การทำงานขั้นพื้นฐานของ bootstrapping ด้านสูง ใช้เครือข่ายไดโอดตัวเก็บประจุแบบไม่ต่อเนื่อง
สรุป
จากการสนทนาข้างต้นเราเข้าใจว่าการบูตเป็นสิ่งสำคัญสำหรับโทโพโลยี H-bridge ทั้งหมดเพื่อให้สามารถเปิดสวิตช์มอสเฟตด้านสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ในกระบวนการนี้ตัวเก็บประจุที่เลือกอย่างเหมาะสมข้ามประตู / ตัวปล่อยของมอสเฟ็ทด้านสูงจะชาร์จสูงกว่าระดับแรงดันไฟฟ้าของท่อระบายน้ำที่ใช้ถึง 12V เฉพาะเมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นมอสเฟตด้านสูงเท่านั้นที่จะสามารถเปิดและทำการสลับแรงดึงที่ตั้งใจไว้ของโหลดที่เชื่อมต่อได้
ก่อนหน้านี้: การคำนวณตัวเหนี่ยวนำตัวเก็บประจุ ถัดไป: สำรวจวงจรเครื่องขยายเสียง 40 วัตต์ที่ดีที่สุด 5 ชิ้น