High driver MOS: come funziona il circuito di bootstrap (condensatore e diodo).

14 07 2008

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Scrivo questo post, per tutti quelli che come me si trovano a lavorare con un circuito di driver per mosfet, e vogliono capire perché il driver alto deve essere differente da quello basso ed in particolare necessita del circuito di bootstrap.

Il circuito in figura mostra lo schema elettrico della rete di pilotaggio di un half-bridge ovvero di un mezzo ponte a mosfet. Si potrebbe tranquillamente sostituire l’half bridge un circuito di buck synchronous, è banale la similitudine per quanto riguarda i mosfet. All’estrema destra della figura si osserva chiaramente la parte di potenza del circuito, formata da due mos a canale n (sono due IRF630). Il controllo è effettuato in logica TTL, simulata nello schema mediante due generatori di tensione che producondo delle onde quadre 0V-5V, sfasate fra loro di 180°. In rosso è evidenziato uno stadio di isolamento realizzato con optoisolatori. Infine lo stadio driver (alto e basso). Il driver basso è autoesplicante, semplice e lineare. Il driver alto invece ha qualche particolare che merita approfondimento. Innanzitutto si noti che del driver alto fa parte anche il condensatore Cbs (condenzatore di bootstrap) ed il diodo Dbs (diodo di bootstrap). Non mi addentro nel funzionamento del circuito, quello che voglio sottolineare è il funzionamento e l’importanza del circuito di bootstrap, ovvero il diodo in alto a destra, il condenzatore Cbs e il fatto che il driver alto non riceve affatto un segnale di controllo contro massa. Per far condurre un power mosfet è necessario applicare una tensione di una decina di volt tra i terminali gate e source e, mentre per il mos basso il source è collegato a massa e quindi è sufficiente applicare una tensione di una decina di volt tra gate e massa, in quello alto le cose si complicano perché essendo la tensione di source non collegata a massa, quando il mos va in conduzione, si sposta rapidamente dal valore iniziale 0V a quello massimo di alimentazione. Se applicassimo anche al mos alto una tensione di pilotaggio di una decina di volt semplicemente tra gate e massa, non otterremmo la conduzione perché, essendo la tensione tra gate e source (da cui dipende la conduzione del mos), pari alla differenza tra la tensione di pilotaggio e quella tra source e massa, appena inizia il processo di conduzione, la tensione del source inizia a salire, facendo ridurre di conseguenza quella tra gate e source e quindi viene meno la condizione necessaria alla conduzione stessa. Per superare questo problema quindi, non è sufficiente applicare una tensione di pilotaggio tra gate e massa di una decina di volt ma è necessario che questa si sposti verso l’alto seguendo esattamente le stesse vicende di quella di source, mantenendosi da questa sempre una decina di volt più in alto. A questo scopo provvede il condensatore di bootstrap che, caricato attraverso un diodo ad una tensione di una decina di volt nel semiciclo precedente, funge da piccola batteria durante il semiciclo di conduzione del mos alto e mantiene la tensione tra gate e source al valore di una decina di volt durante tutto il tempo necessario nonostante la tensione di source si sposti verso l’alto. A questo punto dovrebbe essere chiaro che, al termine della chiusura del mos, affinché la piena conduzione continui a sussistere, avendo la tensione di source raggiunto il valore massimo di alimentazione, è necessario che la tensione di gate abbia raggiunto e si mantenga per tutto il tempo necessario ad un valore di una decina di volt superiore al valore massimo di alimentazione. Il condensatore di bootstrap è a tutti gli effetti una piccola batteria che alimenta i circuiti di pilotaggio del mos alto durante il semiciclo in cui va in conduzione ed il suo valore deve essere sufficientemente alto da garantire che la tensione ai suoi capi si mantenga costante ovvero subisca delle variazioni ininfluenti ai fini del funzionamento dei circuiti di pilotaggio, garantendo per tutto il semiciclo una piena conduzione. Ovviamente il suo dimensionamento dipende dall’entità della corrente con cui i circuiti di pilotaggio da esso alimentati lo scaricano e dalla durata del semiciclo di conduzione e quindi dalla frequenza di commutazione. La carica del condensatore, che avviene nell’altro semiciclo solitamente attraverso un diodo ed una resistenza, deve essere tale da reintegrare completamente l’energia persa nel semiciclo precedente oppure, detto in un altro modo, la tensione ai capi del condensatore che nel precedente semiciclo, avendo alimentato i circuiti di pilotaggio del mos alto, si è abbassata leggermente, deve essere ripristinata, cioè riportata al valore dell’alimentazione del driver, quindi la costante di tempo deve essere sufficientemente bassa. Il diodo deve essere sufficientemente veloce, cioè deve avere un tempo di recupero sufficientemente basso che gli permetta di commutare correttamente alla frequenza di lavoro del circuito.


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2 responses

22 12 2008
manuele

Grazie mille della spiegazione. Sono un neolaureato in ing. elettronica e ho trovato questo articolo molto interessante.

6 04 2009
Marco Rossi

Ma si semp u mast su ste cose!!! grazie dei tuoi aiuti su internet….su sta cosa avevo dei dubb e tu me li risolvi sempre. Ciao raf

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