capacità di bootstrap

[Mariano Marini]

Salve a tutti!
il quesito, magari banale, che vi pongo riguarda il funzionamento del circuito di bootstrap ad esempio in un half-bridge. Ho capito che pilotare l'interruttore alto è più complesso di quello basso (che ha il source a massa) perché il source è ad un potenziale floating, ma mi piacerebbe avere maggiori dettagli su questo aspetto. La capacità di bootstrap che funzione ha? suppongo essere correlata al diodo di bootstrap. Ho notato che di solito questa capacità nei driver è posta fra i pin Vb (che altro non è che la Vcc con un diodo interposto) e Vs che è a sua volta connesso al source dell'interruttore alto. Sarei grato a chi mi desse una mano nell'interpretare la filosofia di questo circuito ed i motivi che ne rendono necessaria l'adozione. Grazie a tutti!!

[Mariano Marini]

il mio integrato, l'ir2110, è un driver di tipo "high side". Qquesta capacità deve portare gli interruttori alti in saturazione, ma non go ben capito le modalità con cui implementa questo discorso. Queste considerazioni valgono solo per l'interruttore high side perché ha il source ad un potenziale floating, giusto? perché per portare il MOS alto in saturazione occorre una tensione più alta di quella d'alimentazione, proprio per il discorso del source connesso ad un potenziale floating?

[Mariano Marini]

Capisco bene i vantaggi dei MOS a canale n rispetto a quelli p. Io sto utilizzando il driver per un ponte ed ho capito il discorso della carica del condensatore di bootstrap, tramite il diodo, mentre si sta pilotando il MOS basso. Su un aspetto però ho delle idee, ma non abbastanza chiare: perché per il MOS high side occorre una tensione ancora più elevata (quantificata nel range 10-20V) della tensione massima d'alimentazione?

[BrunoValente]

Penso che vadano chiariti anche alcuni aspetti che non riguardano strettamente il suo attuale problema ma che sono più a monte: Per far condurre un 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 la tensione di source, non essendo collegato 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 (che è quella da cui dipende la conduzione del MOS) pari alla differenza tra la tensione di pilotaggio e quella tra source e massa (questo per il secondo principio di Kirchhoff e spero che sia chiaro a Mariano), 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 ovviare a questo 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.

[Mariano Marini]

Gent.mo Bruno Valente,
il suo intervento è stato quanto mai opportuno perché chiarificatore in maniera - mi auspico e credo - definitiva dei miei dubbi che come ha correttamente intuito erano dovuti a mie lacune a monte. In pratica il condensatore di bootstrap ha un ruolo di pompa che fornisce la tensione necessaria perché il MOS sia in grado di condurre. In effetti non avevo notato che il source si porta alla tensione d'alimentazione quando il MOS inizia a condurre per cui, applicando 10V tra source e massa il MOS non avrebbe mai potuto condurre. Pertanto si fa seguire alla tensione di pilotaggio lo stesso andamento della tensione di source e con l'intervento del condensatore di bootstrap si assicura che ci sia una Vgs,min=10V. Credo d'aver capito correttamente. Capisco allora anche il perché si raccomandi di utilizzare dei diodi di bootstrap alquanto veloci. La costante di tempo, invece del RC, formato dalla Cbootstrap e dalla Rbootstrap, credo invece debba essere dimensionata in base alla frequenza di commutazione a cui ci troviamo. Infatti se in un semiperiodo (quando conduce il MOS basso) il condensatore deve caricarsi e nel successivo deve scaricarsi (quando conduce il MOS alto) mi pare che debbano dimensionarsi i valori di resistenza e capacità proprio in base alla durata del periodo di commutazione. Infatti nelle formule che ho trovato sul sito della IR per il dimensionamento di questi componenti c'è una dipendenza rispetto al periodo. Spero di aver capito tutto bene e ringrazoi sentitamente l'amico Bruno Valente

[Mariano Marini]

In particolare mi sembrerebbe che almeno come rozza approssimazione il condensatore in questo contesto possa pensarsi proprio come una batteria che fornisca una tensione pari a quella d'alimentazione del driver. Infatti la tensione ai suoi capi non è proprio continua col passare del tempo, ma le variazioni sono molto limitate, almeno stando ai valori di capacità che sto usando in simulazione e che mi sembra diano luogo a buoni risultati. Insomma, il condensatore non deve mai scaricarsi del tutto?

[BrunoValente]

Si, 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 o meglio che subisca delle variazioni ininfluenti al funzionamento dei circuiti di pilotaggio in modo da garantire 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.

[Mariano Marini]

Ok, ora mi pare davvero di avere le idee chiare sotto tutti gli aspetti. Ne approfitto per ringraziare davvero di cuore Bruno Valente, mi hai dato davvero una grossa mano: grazie mille!!!

[dona79]

mi introduco anche io
se predi qualsiasi datasheet di un MOS troverai la curva di gate charge,
per dimensionare la Cb devi guardare solo questa.
quindi, ammettendo una diminuzione della tensione su Cb pari a V, C>Q/V

[Mariano Marini]

Dona/9, ti ringrazio anche a te per l'intervento. Il tuo consiglio è davvero buono e ricalca, bene o male, quello che avevo trovato su un documento tecnico della IR. Infatti seguendo il tuo metodo ottengo 200nF, mentre col metodo IR 230nF; in pratica ottengo lo stesso condensatore. Tuttavia, come avrai capito dall'evolversi della discussione, mi interessava, oltre naturalmente a dimensionare correttamente i componenti, procedimento per il quale all'inizio avevo pedissequamente applicato delle formule per me misteriose, comprendere la filosofia su cui si basava il funzionamento del circuito di bootstrap, cioè il motivo per cui venissero introdotti quel diodo, quella resistenza e quella capacità, che avevo intuito essere un po' l'elemento chiave. Compreso questo discorso, è tutto molto più chiaro, anche il perché tu mi consigli di guardare la curva di carica del gate e relazionarla alla diminuzione di tensione che scelgo di ammettere su Cb. Ti assicuro applicherò questo consiglio non appena mi si ripresenterà l'occasione, tenendolo sempre bene a mente. Ancora un sentito ringraziamento e buon weekend!!