Modulo driver MOSFET Easy H-Bridge per inverter e motori

Se ti stai chiedendo se esiste un modo semplice per implementare un circuito driver H-bridge senza utilizzare il complesso bootstrap fase, la seguente idea risolverà esattamente la tua query.

In questo articolo impariamo come costruire un circuito driver MOSFET full-bridge o H-bridge universale, utilizzando MOSFET a canale P e N-channel, che possono essere utilizzati per realizzare circuiti driver ad alta efficienza per motori , inverter e molti diversi convertitori di potenza.

L'idea elimina esclusivamente la topologia del driver H-bridge standard a 4 canali N, che dipende imperativamente dalla complessa rete di bootstrap.

Vantaggi e svantaggi del design full bridge standard a canale N

Sappiamo che i driver MOSFET full bridge si ottengono meglio incorporando MOSFET a canale N per tutti i 4 dispositivi nel sistema. Il vantaggio principale è l'elevato grado di efficienza fornito da questi sistemi in termini di trasferimento di potenza e dissipazione del calore.

Ciò è dovuto al fatto che MOSFET a canale N. sono specificati con una resistenza RDSon minima attraverso i terminali della sorgente di drenaggio, garantendo una resistenza minima alla corrente, consentendo una minore dissipazione del calore e dissipatori di calore più piccoli sui dispositivi.

Tuttavia, implementare quanto sopra non è facile, poiché tutti i dispositivi a 4 canali non possono condurre e azionare il carico centrale senza avere una rete di bootstrap di diodo / condensatore collegata con il progetto.

Il bootstrap della rete richiede alcuni calcoli e un posizionamento complicato dei componenti per garantire che i sistemi funzionino correttamente. Questo sembra essere il principale svantaggio di una topologia H-bridge basata su MOSFET a 4 canali, che gli utenti comuni trovano difficile da configurare e implementare.

Un approccio alternativo

Un approccio alternativo per realizzare un modulo driver H-bridge facile e universale che promette alta efficienza e tuttavia elimina il complesso bootstrap consiste nell'eliminare i due MOSFET a canale N high side e sostituirli con le controparti a canale P.

Ci si potrebbe chiedere, se è così facile ed efficace, allora perché non è un design standard consigliato? La risposta è che, sebbene l'approccio sembri più semplice, ci sono alcuni aspetti negativi che possono causare una minore efficienza in questo tipo di configurazione a ponte completo che utilizza la combinazione MOSFET a canale P e N.

In primo luogo, il file I MOSFET a canale P di solito hanno una resistenza RDSon superiore nominale rispetto ai MOSFET a canale N, che potrebbe causare una dissipazione del calore non uniforme sui dispositivi e risultati di uscita imprevedibili. Il secondo pericolo può essere un fenomeno di sparatoria, che può causare un danno istantaneo ai dispositivi.

Detto questo, è molto più facile prendersi cura dei due ostacoli precedenti che progettare un circuito di bootstrap rischioso.

I due problemi di cui sopra possono essere eliminati:

1. Selezione di MOSFET a canali P con specifiche RDSon più basse, che possono essere quasi uguali alla classificazione RDSon dei dispositivi a canale N. complementari. Ad esempio, nel nostro progetto proposto, puoi trovare IRF4905 utilizzato per i MOSFET a canale P, che sono classificati con una resistenza RDSon incredibilmente bassa di 0,02 Ohm.
2. Contrastare lo shoot-through aggiungendo stadi buffer appropriati e utilizzando il segnale dell'oscillatore da una sorgente digitale affidabile.

Un driver MOSFET a ponte H universale facile

L'immagine seguente mostra il circuito driver MOSFET a ponte H universale basato su canale P / N, che sembra essere progettato per fornire la massima efficienza con rischi minimi.

Come funziona

Il funzionamento del design del ponte H sopra è praticamente di base. L'idea è più adatta per applicazioni con inverter per convertire in modo efficiente una corrente continua a bassa potenza in una corrente alternata di rete.

L'alimentazione a 12V viene acquisita da qualsiasi fonte di alimentazione desiderata, ad esempio da una batteria o da un pannello solare per un'applicazione inverter.

L'alimentazione è opportunamente condizionata utilizzando il condensatore di filtro da 4700 uF e attraverso il resistore limitatore di corrente da 22 ohm e uno zener a 12V per una maggiore stabilizzazione.

La DC stabilizzata viene utilizzata per alimentare il circuito dell'oscillatore, assicurando che il suo funzionamento non sia influenzato dai transitori di commutazione provenienti dall'inverter.

L'uscita di clock alternata dall'oscillatore viene alimentata alle basi dei BJT Q1, Q2 che sono transistor BC547 standard di piccolo segnale posizionati come stadi buffer / inverter per pilotare con precisione lo stadio MOSFET principale.

Di default, i transistor BC547 sono nella condizione ON, tramite i rispettivi potenziali divisori resistivi di base.

Ciò significa che in condizione di riposo, senza i segnali dell'oscillatore, i MOSFET a canale P sono sempre accesi, mentre i MOSFET a canale N sono sempre spenti. In questa situazione, il carico al centro, che è un avvolgimento primario del trasformatore, non riceve alimentazione e rimane spento.

Quando i segnali di clock vengono inviati ai punti indicati, i segnali negativi degli impulsi di clock effettivamente mettono a terra la tensione di base dei transistor BC547 tramite il condensatore da 100 uF.

Ciò accade alternativamente, provocando l'accensione del MOSFET a canale N da uno dei bracci del ponte H. Ora, poiché il MOSFET a canale P sull'altro braccio del ponte è già acceso, consente a un MOSFET a canale P e un MOSFET a canale N attraverso i lati diagonali di accendersi simultaneamente, facendo sì che la tensione di alimentazione fluisca attraverso questi MOSFET e primario del trasformatore in una direzione.

Per il secondo segnale di clock alternato, la stessa azione si ripete, ma per l'altro braccio diagonale del ponte facendo fluire l'alimentazione attraverso il primario del trasformatore nell'altra direzione.

Lo schema di commutazione è esattamente simile a qualsiasi ponte H standard, come illustrato nella figura seguente:

Questa commutazione flip-flop dei MOSFET dei canali P e N sui bracci diagonali sinistro / destro continua a ripetersi in risposta agli ingressi del segnale di clock alternato dallo stadio dell'oscillatore.

Di conseguenza, anche il primario del trasformatore viene commutato nello stesso schema provocando il flusso di un'onda quadra AC 12V attraverso il suo primario, che viene corrispondentemente convertito in 220 V o 120 V AC onda quadra attraverso il secondario del trasformatore.

La frequenza dipende dalla frequenza dell'ingresso del segnale dell'oscillatore che può essere 50 Hz per l'uscita a 220 V e 60 Hz per l'uscita a 120 V CA,

Quale circuito dell'oscillatore può essere utilizzato

Il segnale dell'oscillatore può provenire da qualsiasi progetto basato su IC digitale, come IC 4047, SG3525, TL494, IC 4017/555, IC 4013 ecc.

Anche astabile transistorizzata circuito può essere utilizzato efficacemente per il circuito dell'oscillatore.

Il seguente esempio di circuito dell'oscillatore può essere idealmente utilizzato con il modulo a ponte completo sopra discusso. L'oscillatore ha un'uscita fissa a 50 Hz, tramite un trasduttore a cristallo.

Il pin di massa di IC2 non è mostrato erroneamente nel diagramma. Collegare il pin # 8 di IC2 con il pin # 8,12 della linea di IC1, per assicurarsi che IC2 riceva il potenziale di terra. Anche questo terreno deve essere unito alla linea di terra del modulo H-bridge.