Circuito de arranque para el controlador MOSFET de lado alto

Question

Estoy muy familiarizado con el funcionamiento de los controladores de arranque en los CI de controlador de MOSFET para la conmutación de un MOSFET de canal N de lado alto. El funcionamiento básico está cubierto exhaustivamente en este sitio y otros.

Lo que no entiendo es el propio circuito del driver de lado alto. Dado que un buen controlador empuja y tira de grandes cantidades de corriente, tiene sentido que exista otro par de transistores dentro del CI para conducir el pin VH alto o bajo. Varias hojas de datos que he consultado parecen indicar que utilizan un par de canal P/canal N (o PNP/NPN). Quitando la construcción del chip IC, me imagino que el circuito se parece a esto:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Parece que acabamos de introducir un problema de recursión. Suponiendo que el nodo marcado como "flotante" puede ser cualquier voltaje arbitrariamente alto, ¿cómo se manejan M3 y M4 que no necesita otro conductor para conducir el conductor ( y así sucesivamente )? Esto también supone que el controlador de lado alto es controlado en última instancia por una señal de nivel lógico de algún tipo.

En otras palabras, dada una tensión flotante arbitrariamente alta, ¿cómo se activa el accionamiento push-pull de M3 y M4 mediante una señal de nivel lógico que se origina fuera del chip?

Aclaración : La pregunta específica que estoy haciendo sólo tiene que ver con la activación de la unidad de arranque push-pull del lado alto con una señal de nivel lógico. Cuando el voltaje del lado alto es relativamente bajo, reconozco que esto es trivial. Pero tan pronto como los voltajes exceden los valores típicos de Vds y Vgs en los transistores, esto se vuelve más difícil de hacer. Yo esperaría que hubiera algún tipo de circuito de aislamiento. Mi pregunta es cómo es exactamente ese circuito.

Reconozco que si M4 es un FET de canal P (o PNP), no es necesario otro circuito de arranque. Pero tengo problemas para concebir un circuito que genere los Vgs adecuados tanto para M4 como para M3 mientras los transistores externos se conmutan de un lado a otro.

Aquí hay capturas de pantalla de dos hojas de datos diferentes que muestran un circuito similar al que dibujé arriba. Ninguno de los dos entra en detalles sobre el circuito del controlador de "caja negra".

Desde el MIC4102YM :

Y el FAN7380 :

Answer 1

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Nota 1: Las tensiones de entrada sólo son \$V_{cc}\$ y \$V_\text{High Voltage}\$ . No se aplica nada en el \$V_{BS}\$ nodo. Es sólo para la representación.
Nota 2: Observe que hay dos tipos diferentes de motivos. Estas tierras no deben estar conectadas directamente entre sí.

Debes conducir el MOSFET entre sus terminales de puerta y fuente. Dado que la tensión del terminal de fuente de un MOSFET de lado alto estará flotando, necesitas una fuente de tensión independiente (VBS: \$V_\text{Boot Strap}\$ ) para el circuito de accionamiento de la puerta.

En el esquema siguiente, VCC es la fuente de tensión del resto del circuito. Cuando el MOSFET está apagado, la masa del circuito de arranque está conectada a la tierra del circuito, por lo que C1 y C2 se cargan hasta el nivel de Vcc. Cuando llega la señal de entrada para encender el MOSFET, la masa del circuito de accionamiento de la puerta se eleva hasta la tensión de drenaje del MOSFET. El diodo D1 bloqueará esta alta tensión, por lo que C1 y C2 alimentarán el circuito de accionamiento durante el tiempo de encendido. Una vez que el MOSFET está apagado de nuevo, C1 y C2 reponen sus cargas perdidas desde VCC.

Criterios de diseño:

• La RB debe elegirse lo más baja posible que no dañe a la D1.
• La capacidad de C2 debe elegirse como suficiente para alimentar el circuito de conducción durante el tiempo de conexión más largo.
• La tensión nominal inversa de D1 debe ser superior a \$V_\text{High Voltage} - V_\text{CC}\$ .

La señal de entrada debe estar aislada del circuito de arranque. Algunos aislantes posibles son:

Optoacoplador

El optoacoplador es el método más básico de aislamiento. Son muy baratos en comparación con otros métodos. Los más baratos tienen tiempos de retardo de propagación de hasta 3 \$\mu\$ s. Los que tienen menos de 1 \$\mu\$ Sin embargo, el retardo de propagación de los mismos es tan caro como el de los controladores de puerta aislados.

Transformador de impulsos

El transformador de impulsos es un tipo de transformador espacial para transferir impulsos rectangulares. Tienen menos vueltas para evitar la capacitancia e inductancia parásitas y núcleos más grandes para compensar la pérdida de inductancia debida a la reducción del número de vueltas. Son mucho más rápidos que los optoacopladores. Los tiempos de retardo son inferiores a 100 ns en general. La imagen de arriba es sólo ilustrativa. En la práctica, la corriente que pueden proporcionar no es suficiente para conducir un MOSFET rápidamente, por lo que necesitan circuitos adicionales en la práctica.

Controlador de puerta aislado

La conducción de puertas aisladas es una tecnología relativamente nueva. Toda la complejidad de la conducción de compuertas está encapsulada en un solo chip. Son tan rápidos como los transformadores de impulsos, pero pueden proporcionar unos pocos amperios de corriente de puerta máxima. Algunos productos también contienen convertidores DC-DC aislados en el chip, por lo que ni siquiera necesitan un sistema de arranque. Sin embargo, todas estas supercaracterísticas tienen un coste.

Answer 2

El CI tiene un circuito interno de "cambio de nivel".

Y el circuito de cambio de nivel puede ser así, esto es similar con FAN7380:

Los dos NMOS antes del filtro de pulsos son relativos a la tierra verdadera, y la señal de diferencia se dirige al filtro de pulsos. Después del filtro de pulsos, la tierra está flotando en \$V_{SRC}\$ y el suministro es \$V_{BST}\$ .

Y a continuación está el diagrama de bloques del IR2110 (de International Rectifier AN978-b):