โมดูลไดรเวอร์ MOSFET H-Bridge อย่างง่ายสำหรับอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์

หากคุณสงสัยว่ามีวิธีง่ายๆในการใช้วงจรขับ H-bridge โดยไม่ต้องใช้คอมเพล็กซ์หรือไม่ bootstrapping ขั้นตอนแนวคิดต่อไปนี้จะแก้ปัญหาการสืบค้นของคุณได้อย่างแม่นยำ

ในบทความนี้เราเรียนรู้วิธีการสร้างวงจรขับมอสเฟตแบบฟูลบริดจ์หรือ H-bridge แบบสากลโดยใช้ MOSFET แบบ P-channel และ N-channel ซึ่งสามารถใช้ในการสร้างวงจรไดรเวอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับ มอเตอร์ , อินเวอร์เตอร์ และตัวแปลงพลังงานต่างๆมากมาย

แนวคิดนี้จะกำจัดโทโพโลยีไดรเวอร์ H-bridge 4 N-channel มาตรฐานโดยเฉพาะซึ่งจำเป็นต้องขึ้นอยู่กับเครือข่าย bootstrapping ที่ซับซ้อน

ข้อดีและข้อเสียของ Standard N-Channel Full Bridge Design

เราทราบดีว่าไดรเวอร์ MOSFET บริดจ์แบบเต็มสามารถทำได้ดีที่สุดโดยการรวม MOSFET N-channel สำหรับอุปกรณ์ทั้ง 4 ในระบบ ข้อได้เปรียบหลักคือประสิทธิภาพระดับสูงของระบบเหล่านี้ในแง่ของการถ่ายเทพลังงานและการกระจายความร้อน

นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่า N-channel MOSFETs ถูกระบุด้วยความต้านทาน RDSon น้อยที่สุดในขั้วแหล่งระบายของพวกเขาทำให้มั่นใจได้ถึงความต้านทานต่อกระแสไฟฟ้าต่ำสุดทำให้สามารถกระจายความร้อนได้น้อยลงและมีฮีทซิงค์ที่เล็กลง

อย่างไรก็ตามการใช้งานข้างต้นไม่ใช่เรื่องง่ายเนื่องจากอุปกรณ์ 4 ช่องสัญญาณทั้งหมดไม่สามารถดำเนินการและใช้งานโหลดส่วนกลางได้โดยไม่ต้องมีเครือข่าย bootstrapping ไดโอด / ตัวเก็บประจุที่แนบมาพร้อมกับการออกแบบ

เครือข่าย Bootstrapping ต้องใช้การคำนวณและการจัดวางส่วนประกอบที่ยุ่งยากเพื่อให้แน่ใจว่าระบบทำงานได้อย่างถูกต้อง สิ่งนี้ดูเหมือนจะเป็นข้อเสียเปรียบหลักของโทโพโลยี H-bridge แบบ 4 ช่องสัญญาณ MOSFET ที่ผู้ใช้ทั่วไปพบว่ายากที่จะกำหนดค่าและนำไปใช้

แนวทางทางเลือก

อีกทางเลือกหนึ่งในการสร้างโมดูลไดรเวอร์ H-bridge ที่ใช้งานง่ายและเป็นสากลซึ่งสัญญาว่าจะมีประสิทธิภาพสูงและยังกำจัดการบูตที่ซับซ้อนออกไปได้โดยการกำจัด MOSFET N-channel ด้านสูงสองตัวและแทนที่ P-channel

อาจสงสัยว่าถ้ามันง่ายและมีประสิทธิภาพแล้วเหตุใดจึงไม่เป็นแบบมาตรฐานที่แนะนำ? คำตอบคือแม้ว่าแนวทางจะดูเรียบง่ายกว่า แต่ก็มีข้อเสียเล็กน้อยซึ่งอาจทำให้ประสิทธิภาพลดลงในการกำหนดค่าสะพานแบบเต็มประเภทนี้โดยใช้คำสั่งผสม MOSFET ช่อง P และ N

ประการแรก P-channel MOSFETs มักจะมีความต้านทาน RDSon สูงกว่า คะแนนเทียบกับ MOSFET แบบ N-channel ซึ่งอาจส่งผลให้อุปกรณ์กระจายความร้อนไม่สม่ำเสมอและผลลัพธ์ที่ไม่สามารถคาดเดาได้ อันตรายประการที่สองอาจเป็นปรากฏการณ์ยิงทะลุซึ่งอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายทันที

กล่าวได้ว่าการดูแลสองอุปสรรคข้างต้นนั้นง่ายกว่าการออกแบบวงจร bootstrapping ที่เป็นก้อน

สองประเด็นข้างต้นสามารถกำจัดได้โดย:

1. การเลือก P-channels MOSFET ที่มีคุณสมบัติ RDSon ต่ำสุดซึ่งอาจเกือบเท่ากับการจัดอันดับ RDSon ของอุปกรณ์ N-channel เสริม ตัวอย่างเช่นในการออกแบบที่นำเสนอของเราคุณสามารถค้นหา IRF4905 ที่ใช้สำหรับ MOSFET แบบ P-channel ซึ่งได้รับการจัดอันดับด้วยความต้านทาน RDSon ที่ต่ำอย่างน่าประทับใจที่ 0.02 โอห์ม
2. การตอบโต้การยิงผ่านโดยการเพิ่มระยะบัฟเฟอร์ที่เหมาะสมและโดยใช้สัญญาณออสซิลเลเตอร์จากแหล่งดิจิตอลที่เชื่อถือได้

ไดร์เวอร์ MOSFET Universal H-Bridge ที่ใช้งานง่าย

ภาพต่อไปนี้แสดงวงจรขับ MOSFET แบบ Universal H-bridge แบบ P-channel / N-channel ซึ่งดูเหมือนว่าได้รับการออกแบบมาเพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุดโดยมีความเสี่ยงต่ำสุด

มันทำงานอย่างไร

การทำงานของการออกแบบสะพาน H ด้านบนนั้นค่อนข้างเป็นพื้นฐาน แนวคิดนี้เหมาะที่สุดสำหรับการใช้งานอินเวอร์เตอร์สำหรับการแปลง DC พลังงานต่ำเป็น AC ระดับเมนอย่างมีประสิทธิภาพ

แหล่งจ่ายไฟ 12V ได้มาจากแหล่งจ่ายไฟที่ต้องการเช่นจากแบตเตอรี่หรือแผงโซลาร์เซลล์สำหรับแอปพลิเคชันอินเวอร์เตอร์

แหล่งจ่ายได้รับการปรับสภาพอย่างเหมาะสมโดยใช้ตัวเก็บประจุฟิลเตอร์ 4700 uF และผ่านตัวต้านทาน จำกัด กระแส 22 โอห์มและซีเนอร์ 12V เพื่อเพิ่มเสถียรภาพ

DC ที่เสถียรใช้สำหรับเปิดวงจรออสซิลเลเตอร์เพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานจะไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนชั่วคราวจากอินเวอร์เตอร์

เอาต์พุตนาฬิกาสำรองจากออสซิลเลเตอร์จะถูกป้อนเข้ากับฐานของ Q1, Q2 BJT ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ BC547 สัญญาณขนาดเล็กมาตรฐานที่อยู่ในตำแหน่งบัฟเฟอร์ / อินเวอร์เตอร์สำหรับการขับเคลื่อนสเตจ MOSFET หลักด้วยความแม่นยำ

โดยค่าเริ่มต้นทรานซิสเตอร์ BC547 จะอยู่ในสภาพเปิดสวิตช์โดยใช้ศักยภาพตัวแบ่งตัวต้านทานพื้นฐานตามลำดับ

ซึ่งหมายความว่าในสภาวะที่ไม่ได้ใช้งานโดยไม่มีสัญญาณออสซิลเลเตอร์ MOSFET ของช่องสัญญาณ P จะเปิดอยู่เสมอในขณะที่ MOSFET N-channel จะปิดอยู่เสมอ ในสถานการณ์เช่นนี้โหลดที่ศูนย์กลางซึ่งเป็นขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงไม่ได้รับพลังงานและยังคงปิดอยู่

เมื่อสัญญาณนาฬิกาถูกป้อนไปยังจุดที่ระบุสัญญาณลบจากพัลส์นาฬิกาจะกราวด์แรงดันไฟฟ้าพื้นฐานของทรานซิสเตอร์ BC547 ผ่านตัวเก็บประจุ 100 uF

สิ่งนี้เกิดขึ้นสลับกันทำให้ N-channel MOSFET จากแขนข้างใดข้างหนึ่งของ H-bridge เปิด ตอนนี้เนื่องจาก MOSFET P-channel ที่แขนอีกข้างของบริดจ์เปิดอยู่แล้วจึงเปิดใช้งาน P-channel MOSFET หนึ่งช่องและ MOSFET N-channel หนึ่งช่องทางด้านทแยงมุมเพื่อเปิดพร้อมกันทำให้แรงดันไฟฟ้าไหลผ่านสิ่งเหล่านี้ มอสเฟตและตัวหลักของหม้อแปลงในทิศทางเดียว

สำหรับสัญญาณนาฬิกาสำรองตัวที่สองการกระทำเดียวกันจะเกิดขึ้นซ้ำ แต่สำหรับแขนทแยงมุมอื่น ๆ ของสะพานทำให้แหล่งจ่ายไหลผ่านหม้อแปลงหลักในทิศทางอื่น

รูปแบบการสลับนั้นคล้ายกับสะพาน H มาตรฐานทุกประการดังที่แสดงในรูปต่อไปนี้:

การสลับฟลิปฟล็อปของ MOSFET แชนเนล P และ N บนแขนทแยงมุมซ้าย / ขวาจะทำซ้ำเพื่อตอบสนองต่ออินพุตสัญญาณนาฬิกาสำรองจากขั้นตอนออสซิลเลเตอร์

ด้วยเหตุนี้หม้อแปลงหลักจึงถูกสลับในรูปแบบเดียวกันทำให้ AC 12V เป็นคลื่นสี่เหลี่ยมไหลผ่านหลักซึ่งจะถูกแปลงเป็นคลื่นสี่เหลี่ยม 220 V หรือ 120 V AC ที่สอดคล้องกันในด้านที่สองของหม้อแปลง

ความถี่จะขึ้นอยู่กับความถี่ของอินพุตสัญญาณออสซิลเลเตอร์ซึ่งอาจเป็น 50 Hz สำหรับเอาต์พุต 220 V และ 60 Hz สำหรับเอาต์พุต 120 V AC

วงจรออสซิลเลเตอร์ใดที่สามารถใช้ได้

สัญญาณออสซิลเลเตอร์อาจมาจากการออกแบบที่ใช้ IC แบบดิจิทัลเช่นจาก IC 4047, SG3525, TL494, IC 4017/555, IC 4013 เป็นต้น

แม้ ทรานซิสเตอร์ Astable สามารถใช้วงจรสำหรับวงจรออสซิลเลเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ตัวอย่างวงจรออสซิลเลเตอร์ต่อไปนี้สามารถใช้ได้กับโมดูลสะพานแบบเต็มที่กล่าวถึงข้างต้น ออสซิลเลเตอร์มีค่าคงที่ที่เอาต์พุต 50 Hz ผ่านตัวแปลงสัญญาณคริสตัล

ขากราวด์ของ IC2 ไม่ได้แสดงไว้ในแผนภาพโดยไม่ถูกต้อง โปรดเชื่อมต่อพิน # 8 ของ IC2 กับพิน # 8,12 ของ IC1 เพื่อให้แน่ใจว่า IC2 มีศักยภาพในการกราวด์ กราวด์นี้ต้องต่อเข้ากับสายกราวด์ของโมดูลสะพาน H ด้วย