Puente en H. El bootstrap (II)

Hola a todos!, en esta entrada voy a seguir con el puente en H que os presenté en la entrada anterior. En esta entrada voy a explicaros como realizar el control, como realizar los disparos, y como "atacar" a las puertas de los mosfet para que funcionen correctamente.

En primer lugar tenemos que tener clara la necesidad de utilizar un puente completo o puente en H. Esta necesidad que pretendemos satisfacer con un puente completo es poder tener entre dos terminales, y desde una alimentación simple, una tensión positiva o negativa, según conmutemos los interruptores que forman el puente.

En la imagen podéis ver los 4 transistores que forman el puente completo, y la resistencia de carga RC. Si activamos los transistores S1 y S4, la corriente por la carga circulará de izquierda a derecha, mientras que si activamos los transistores S3 y S2, la corriente circulará en sentido inverso. Al mismo tiempo, si activamos S1 y S3 o S2 y S4, la tensión aplicada a la carga es 0V, lo que nos vendrá muy bien en el caso de control de motores para poder frenarlos de forma activa tal y como ya expliqué en esta entrada, y por tanto no voy a volver a explicar.

Esto que he escrito, nos puede dar algunos problemas si no sabemos como hacerlo y lo hacemos mal. Si tal y como está el circuito en la figura, con 4 transistores de canal N, los transistores S2 y S4 los podremos disparar de forma muy sencilla utilizando cualquier driver, como por ejemplo el UCC27324 de Texas Instruments, o el TC4424 de Microchip. En cambio, si queremos disparar los transistores de la parte superior la cosa se nos complica un poco, ya que, a diferencia de los transistores de la parte inferior, estos no tienen el surtidor llevado a masa.

En la imagen se puede ver como la tensión de puerta del transistor S2, VG2, se aplica entre la puerta y la masa de nuestro sistema, por tanto si aplicamos en ese punto 15 voltios, VG2 es igual a 15V. En cambio, VG1 tiene como referencia el punto intermedio de ambos transistores de la rama, y esto es un problema, pero no demasiado grande. Si aplicamos 15 voltios de nuestra fuente con referencia a masa en la puerta de S1, la tensión que realmente tenemos como VG1 es la de la puerta (15V), menos la que tenemos en el punto central, que puede llegar a ser hasta VDC. Os voy a poner un caso, con una tensión VDC de 24 voltios, imaginemos que tenemos activado S2, por tanto la tensión en el punto del medio es 0, y ahora queremos activar S1. Obviamente para activar S1 debemos desactivar antes S2 si no queremos producir un cortocircuito, por tanto la secuencia es, desactivar S2 y luego activar S1. En el instante en que desactivamos S2, la tensión del punto del medio se queda sin conectar a nada, es decir, flotante. En el mejor de los casos que consigamos activar S1, la tensión en el punto del medio será de VDC, es decir 24, y en ese momento a la puerta le estamos aplicando 15V - 24V = -9V, por tanto el transistor no se va a activar, y encima corremos el riesgo de romperlo.

Para solucionar eso existen varias alternativas, pero todas se basan en un mismo principio. La primera de ellas es utilizar una fuente de alimentación aislada cuya salida si que esté referenciada al punto intermedio. Esta solución es la mejor y la más costosa ya que necesitamos la fuente de alimentacion aislada, el driver, y los optoacopladores. La segunda opción es utilizar un transformador, de forma que los pulsos que generemos en el primario, se transmitan al secundario. Esta solución ya tiene un inconveniente, y es que necesitamos una señal pulsante en el primario para que se pueda transferir al secundario. La tercera opción es utilizar un driver con circuito de bootstrap. Estos circuitos funcionan en dos fases. Cuando tenemos conectado el transistor de abajo, el condensador se carga a través del diodo, cuando desactivamos el transistor de la parte baja, la tensión del condensador se queda flotante, y cuando activamos el transistor de la parte superior, esta tensión se suma a la tensión del punto intermedio, disparando así el transistor de forma correcta.

La elección del condensador viene determinada por varios factores. En primer lugar la tensión que debe soportar, ya que esta debe ser superior a la tensión VDC de nuestro puente. Por otro lado la capacidad del condensador nos va a determinar la energía que es capaz de suministrarnos, en otras palabras, cuanto tiempo va a ser capaz de mantener una tensión determinada antes de descargarse. El condensador ha de ser capaz de suministrar la tensión mínima de puerta durante el tiempo que dure la conmutación. El tiempo que mantenga la tensión dependerá de la corriente que necesite el transistor para activarse, lo que viene dado por la cantidad de energía que almacena el transistor en la puerta. En resumen, que la capacidad depende inversamente de la frecuencia de conmutación, y directamente de la carga de nuestro circuito, y de la tensión que queramos mantener. El parámetro mas complicado de obtener de esta ecuación es la carga, aunque la podemos obtener del datasheet del transistor y del driver. Existen algunas páginas web como esta que nos ayudan a calcular la capacidad de nuestro condensador. Estos cálculos nos van a dar una capacidad mínima, por lo que podemos asegurarnos de que funcionará bien poniendo un condensador ligeramente superior al calculado.

Si queremos reducir la capacidad del condensador básicamente podemos modificar dos parámetros, la carga, y la frecuencia de conmutación. Si buscamos un transistor con menos capacidad en la puerta, podremos disminuir la capacidad del condensador, igual que si aumentamos la frecuencia de conmutación, aunque superados ciertos niveles, las perdidas por conmutación se hacen grandes y no son recomendables.

En mi diseño he utilizado un condensador de 1uF, algo grande pero que me va a asegurar que todo funcione correctamente incluso con frecuencia bajas.

Espero que haya quedado clara la necesidad de los circuitos de bootstrap, y su funcionamiento.