Bootstrap-Schaltung für High-Side-MOSFET-Treiber

Ich bin sehr vertraut mit dem Betrieb von Bootstrap-Treibern auf MOSFET-Treiber-ICs zum Schalten eines N-Kanal-High-Side-MOSFET. Der grundlegende Vorgang wird auf dieser Website und auf anderen Websites ausführlich behandelt.

Was ich nicht verstehe, ist die High-Side-Treiberschaltung selbst. Da ein guter Treiber große Strommengen drückt und zieht, ist es sinnvoll, dass ein weiteres Transistorpaar im IC vorhanden ist, um den VH-Pin hoch oder niedrig zu treiben. Einige Datenblätter, die ich mir angesehen habe, scheinen darauf hinzudeuten, dass sie ein P-Kanal / N-Kanal-Paar (oder PNP / NPN) verwenden. Ich nehme das Konstrukt des IC-Chips weg und stelle mir vor, die Schaltung sieht ungefähr so ​​aus:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Es scheint, dass wir gerade ein Rekursionsproblem eingeführt haben. Angenommen, der als "potentialfrei" markierte Knoten kann eine willkürlich hohe Spannung sein. Wie werden M3 und M4 angesteuert, die keinen weiteren Treiber benötigen, um den Treiber anzusteuern ( und so weiter und so fort )? Dies setzt auch voraus, dass der High-Side-Treiber letztendlich von einem Signal mit Logikpegel gesteuert wird.

Mit anderen Worten, wie wird der Gegentaktantrieb von M3 und M4 bei einer willkürlich hohen schwebenden Spannung durch ein Signal mit logischem Pegel aktiviert, das von außerhalb des Chips stammt?

Klarstellung : Die spezifische Frage, die ich stelle, hat nur mit der Aktivierung des High-Side-Push-Pull-Bootstrap-Laufwerks mit einem Signal auf logischem Pegel zu tun. Wenn die High-Side-Spannung relativ niedrig ist, ist dies meines Erachtens trivial. Sobald die Spannungen jedoch die typischen Vds- und Vgs-Werte der Transistoren überschreiten, wird dies schwieriger. Ich würde erwarten, dass eine Art Isolationsschaltung involviert ist. Wie genau diese Schaltung aussieht, ist meine Frage.

Ich erkenne, dass, wenn M4 ein P-Kanal-FET (oder PNP) ist, eine andere Bootstrap-Schaltung nicht erforderlich ist. Ich habe jedoch Probleme, mir eine Schaltung vorzustellen, die die richtigen Vgs für M4 und M3 erzeugt, wenn die externen Transistoren hin und her geschaltet werden.

Hier sind Screenshots von zwei verschiedenen Datenblättern, die eine ähnliche Schaltung zeigen, wie ich sie oben gezeichnet habe. Weder gehen Sie auf Details der "Black-Box" -Treiberschaltung ein.

Vom MIC4102YM :

Und der FAN7380 :

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

$V_{cc}$$V_\text{High Voltage}$$V_{BS}$

$V_\text{Boot Strap}$

Im nachstehenden Schema ist VCC die Spannungsquelle des Restes der Schaltung. Wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, ist die Masse der Bootstrap-Schaltung mit der Masse der Schaltung verbunden, wodurch sich C1 und C2 auf den Pegel von Vcc aufladen. Wenn das Eingangssignal ankommt, um den MOSFET einzuschalten, steigt die Masse der Gate-Treiberschaltung auf die Drain-Spannung des MOSFET an. Die D1-Diode blockiert diese hohe Spannung, sodass C1 und C2 die Ansteuerschaltung während der Einschaltdauer versorgen. Sobald der MOSFET wieder ausgeschaltet ist, füllen C1 und C2 ihre verlorenen Ladungen von VCC auf.

Design-Kriterien:

• RB muss so niedrig wie möglich gewählt werden, damit D1 nicht beschädigt wird.
• Die Kapazität von C2 muss ausreichend gewählt werden, um den Treiberschaltkreis während der längsten Einschaltdauer zu versorgen.
• $V_\text{High Voltage} - V_\text{CC}$

Das Eingangssignal muss von der Boot-Strap-Schaltung isoliert sein. Einige mögliche Isolatoren sind:

Optokoppler

$\mu$$\mu$

Impulstransformator

Der Impulstransformator ist ein räumlicher Transformator zur Übertragung von Rechteckimpulsen. Sie haben eine geringere Windungszahl, um parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten zu vermeiden, und größere Kerne, um Induktivitätsverluste aufgrund einer geringeren Windungszahl auszugleichen. Sie sind viel schneller als Optokoppler. Verzögerungszeiten sind im Allgemeinen weniger als 100 ns. Das obige Bild dient nur zur Veranschaulichung. In der Praxis reicht der Strom, den sie liefern können, nicht aus, um einen MOSFET schnell anzusteuern. Daher benötigen sie in der Praxis zusätzliche Schaltkreise.

Isolierte Gate-Treiber

Das isolierte Ansteuern von Toren ist eine relativ neue Technologie. Die gesamte Komplexität der Gate-Ansteuerung ist in einem einzigen Chip zusammengefasst. Sie sind so schnell wie Impulstransformatoren, können jedoch ein paar Ampere Spitzen-Gate-Strom liefern. Einige Produkte enthalten auch integrierte isolierte DC-DC-Wandler, sodass sie nicht einmal ein Boot-Strapping benötigen. All diese tollen Funktionen sind jedoch mit Kosten verbunden.

Ähm, der IC hat eine interne "Level-Shift" -Schaltung.

Und die Pegelverschiebungsschaltung sieht vielleicht so aus, ähnlich wie bei FAN7380:

$V_{SRC}$$V_{BST}$

Und unten ist das Blockdiagramm des IR2110 (vom internationalen Gleichrichter AN978-b):