Enkel H-Bridge MOSFET drivermodul for omformere og motorer

Hvis du lurer på om det er en enkel måte å implementere en H-bridge driverkrets uten å bruke komplekset bootstrapping trinn, vil følgende ide nøyaktig løse spørsmålet ditt.

I denne artikkelen lærer vi hvordan vi bygger en universell full-bridge eller H-bridge MOSFET driverkrets, ved hjelp av P-kanal og N-kanal MOSFET, som kan brukes til å lage høyeffektive driverkretser for motorer , omformere , og mange forskjellige kraftomformere.

Ideen blir eksklusivt kvitt standard 4 N-kanal H-bridge driver topologi, som helt avhengig av det komplekse bootstrapping nettverket.

Fordeler og ulemper ved standard N-Channel Full Bridge Design

Vi vet at MOSFET-drivere med full bro oppnås best ved å innlemme N-kanals MOSFET-er for alle de 4 enhetene i systemet. Den største fordelen er den høye effektiviteten som disse systemene gir når det gjelder kraftoverføring og varmespredning.

Dette skyldes det faktum at N-kanal MOSFET er spesifisert med minimal RDSon-motstand over avløpskildeterminalene, noe som sikrer minimal motstand mot strøm, noe som muliggjør mindre varmespredning og mindre kjøleribber på enhetene.

Imidlertid er det ikke enkelt å implementere det ovennevnte, siden alle 4-kanal enhetene ikke kan lede og betjene den sentrale belastningen uten å ha et diode / kondensator bootstrapping nettverk tilknyttet designet.

Bootstrapping-nettverk krever noen beregninger og vanskelig plassering av komponentene for å sikre at systemene fungerer som de skal. Dette ser ut til å være den største ulempen med en 4-kanals MOSFET-basert H-bridge-topologi, som vanlige brukere synes det er vanskelig å konfigurere og implementere.

En alternativ tilnærming

En alternativ tilnærming til å lage en enkel og universell H-bridge drivermodul som lover høy effektivitet og likevel blir kvitt den komplekse bootstrapping, er å eliminere de to N-kanals MOSFETene på høysiden og erstatte dem P-kanals kolleger.

Man kan lure på, hvis det er så enkelt og effektivt, hvorfor er det ikke en standard anbefalt design? Svaret er, selv om fremgangsmåten ser enklere ut, er det noen ulemper som kan føre til lavere effektivitet i denne typen fullbrokonfigurasjon ved bruk av P- og N-kanal MOSFET-kombinasjon.

For det første, den P-kanal MOSFET-er vanligvis høyere RDSon-motstand vurdering sammenlignet med N-kanal MOSFET, som kan resultere i ujevn varmespredning på enhetene og uforutsigbare resultater. Andre fare kan være et gjennomskytningsfenomen som kan forårsake øyeblikkelig skade på enhetene.

Når det er sagt, er det mye lettere å ta vare på de to hindringene ovenfor enn å designe en tøff bootstrapping-krets.

De to ovennevnte problemene kan elimineres ved å:

1. Velge P-kanaler MOSFETs med laveste RDSon-spesifikasjoner, som kan være nesten lik RDSon-klassifiseringen til de komplementære N-kanalene. For eksempel i vår foreslåtte design kan du finne IRF4905 som brukes til P-kanal MOSFET, som er klassifisert med en imponerende lav RDSon-motstand på 0,02 ohm.
2. Motvirke gjennomkjøringen ved å legge til passende buffertrinn, og ved å bruke oscillatorsignal fra en pålitelig digital kilde.

En enkel Universal H-Bridge MOSFET Driver

Følgende bilde viser P-kanal / N-kanalbasert universell H-bro MOSFET driverkrets, som ser ut til å være designet for å gi maksimal effektivitet med minimal risiko.

Hvordan det fungerer

Arbeidet med ovennevnte H-brodesign er ganske grunnleggende. Ideen er best egnet for omformerapplikasjoner for effektiv konvertering av en likestrøm med lav effekt til strømnettet.

12V-forsyningen hentes fra hvilken som helst ønsket strømkilde, for eksempel fra et batteri eller solcellepanel for en inverterapplikasjon.

Forsyningen er konditionert på riktig måte ved hjelp av 4700 uF filterkondensator og gjennom 22 ohm strømbegrensende motstand og en 12V zener for ekstra stabilisering.

Den stabiliserte likestrømmen brukes til å drive oscillatorkretsen, og sørger for at dens arbeid ikke påvirkes av svitsjetransientene fra omformeren.

Den alternative klokkeutgangen fra oscillatoren blir matet til basene til Q1, Q2 BJTs som er standard småsignal BC547-transistor posisjonert som buffer / inverterstrinn for å kjøre hoved MOSFET-trinnet med presisjon.

Som standard er BC547-transistorene i PÅ-tilstand, gjennom deres respektive basismotstandsdelerpotensialer.

Dette betyr at i inaktiv tilstand, uten oscillatorsignalene, er P-kanal MOSFET alltid slått PÅ, mens N-kanal MOSFET er alltid slått AV. I denne situasjonen får belastningen i sentrum, som er en transformator primærvikling, ingen strøm og forblir slått AV.

Når kloksignaler mates til de angitte punktene, jorder de negative signalene fra klokkepulsene faktisk basespenningen til BC547-transistorene via 100 uF kondensatoren.

Dette skjer vekselvis, og får N-kanal MOSFET fra en av armene til H-broen til å slå seg på. Siden P-kanal MOSFET på den andre armen av broen allerede er slått PÅ, kan en P-kanal MOSFET og en N-kanal MOSFET over de diagonale sidene slås PÅ samtidig, slik at forsyningsspenningen strømmer over disse MOSFET og transformatorens primære retning i en retning.

For det andre alternative klokkesignalet gjentas den samme handlingen, men for den andre diagonale armen av broen som får tilførselen til å strømme gjennom transformatoren primær i den andre retningen.

Koblingsmønsteret ligner nøyaktig hvilken som helst standard H-bro, som vist i følgende figur:

Denne flip-flop-omkoblingen av P- og N-kanal-MOSFETene over venstre / høyre diagonale armer gjentar seg som svar på de alternative klokkesignalinngangene fra oscillatorstadiet.

Som et resultat blir transformatorens primære også slått i det samme mønsteret som får en firkantbølge AC 12V til å strømme over sin primære, som tilsvarende blir omgjort til 220 V eller 120 V AC firkantbølge over sekundæren til transformatoren.

Frekvensen er avhengig av frekvensen til oscillatorsignalinngangen som kan være 50 Hz for 220 V utgang og 60 Hz for 120 V AC utgang,

Hvilken oscillatorkrets som kan brukes

Oscillatorsignalet kan være fra hvilken som helst digital IC-basert design, for eksempel fra IC 4047, SG3525, TL494, IC 4017/555, IC 4013 etc.

Til og med transistorisert astable kan brukes effektivt til oscillatorkretsen.

Følgende oscillatorkretseksempel kan ideelt sett brukes med den ovenfor omtalte fullbromodulen. Oscillatoren har en fast på 50 Hz utgang, gjennom en krystalltransduser.

Jordpinnen til IC2 er feilaktig ikke vist i diagrammet. Koble pinne nr. 8 på IC2 med pinne nr. 8,12 linjen på IC1, for å sikre at IC2 får bakkepotensialet. Denne bakken må også forbindes med bakken til H-bromodulen.