ブートストラップは、NチャネルMOSFETを備えたすべてのHブリッジまたはフルブリッジネットワークに見られる重要な側面です。

これは、ハイサイドMOSFETのゲート/ソース端子を、ドレイン電圧より少なくとも10V高い電圧で切り替えるプロセスです。つまり、ドレイン電圧が100Vの場合、ドレインからハイサイドMOSFETのソースに100Vを完全に転送できるようにするには、実効ゲート/ソース電圧を110Vにする必要があります。

なしブートストラップ同一のMOSFETを備えたHブリッジトポロジは機能しません。

ステップバイステップの説明を通して詳細を理解しようとします。

ブートストラップネットワークが必要になるのは、Hブリッジの4つのデバイスすべてがそれらの極性と同じである場合のみです。通常、これらはnチャネルMOSFETです（明らかな理由により、4 pチャネルは使用されません）。

次の画像は、標準のnチャネルHブリッジ構成を示しています。

このMOSFETトポロジーの主な機能は、この図の「負荷」または変圧器の1次側をフリップフロップ方式で切り替えることです。つまり、接続されたトランス巻線の両端に交流プッシュプル電流を生成します。

これを実装するために、斜めに配置されたMOSFETは同時にオン/オフに切り替えられます。そして、これは対角線のペアに対して交互に繰り返されます。たとえば、Q1 / Q4とQ2 / Q3のペアは一緒に交互にオン/オフに切り替えられます。 Q1 / Q4がオンの場合、Q2 / Q3はオフになり、その逆も同様です。

上記の動作により、電流は接続されたトランス巻線の両端で極性を交互に変化させます。これにより、変圧器の2次側に誘導された高電圧もその極性を変更し、変圧器の2次側に目的のACまたは交流出力を生成します。

ハイサイドローサイドMOSFETとは

上部のQ1 / Q2はハイサイドMOSFETと呼ばれ、下部のQ3 / Q4はローサイドMOSFETと呼ばれます。

ローサイドMOSFETの基準リード線（ソース端子）は、グランドラインに適切に接続されています。ただし、ハイサイドMOSFETは基準接地線に直接アクセスできず、代わりに変圧器の一次側に接続されます。

MOSFETの「ソース」端子またはBJTのエミッタは、負荷を正常に導通および切り替えるために、共通の接地線（または共通の基準線）に接続する必要があることがわかっています。

Hブリッジでは、ハイサイドMOSFETが共通のグラウンドに直接アクセスできないため、通常のゲートDC（Vgs）で効果的にオンにすることができなくなります。

ここで問題が発生し、ブートストラップネットワークが重要になります。

なぜこれが問題なのですか？

BJTが完全に導通するには、ベース/エミッタ間に最低0.6Vが必要であることは誰もが知っています。同様に、MOSFETが完全に導通するには、ゲート/ソース全体で約6〜9Vが必要です。

ここで、「完全に」とは、ゲート/ベース電圧入力に応答して、MOSFETのドレイン電圧またはBJTコレクタ電圧をそれぞれのソース/エミッタ端子に最適に転送することを意味します。

Hブリッジでは、ローサイドMOSFETはスイッチングパラメータに問題がなく、特別な回路がなくても通常どおり最適にスイッチングできます。

これは、ソースピンが常にゼロまたはグランド電位にあり、ゲートをソースよりも指定された12Vまたは10V高くすることができるためです。これにより、MOSFETに必要なスイッチング条件が満たされ、ドレイン負荷を完全にグランドレベルに引き上げることができます。

ここで、ハイサイドMOSFETを観察します。ゲート/ソースに12Vを印加すると、MOSFETは最初は良好に応答し、ドレイン電圧をソース端子に向けて伝導し始めます。ただし、これが発生している間、負荷（トランスの一次巻線）が存在するため、ソースピンの電位が上昇し始めます。

この電位が6Vを超えると、MOSFETには導通する「スペース」がなくなるため、MOSFETはストールし始め、ソース電位が8Vまたは10Vに達するまでに、MOSFETは導通を停止します。

次の簡単な例を使用して、これを理解しましょう。

“相補型金属酸化膜半導体の定義 ”

ここでは、HブリッジのハイサイドMOSFETの状態を模倣して、MOSFETのソースに接続された負荷を確認できます。

この例では、モーターの両端の電圧を測定すると、ドレイン側に12Vが印加されていますが、わずか7Vであることがわかります。

これは、12-7 = 5Vが最低限のゲート/ソースまたはVであるためです。_gsこれは、導通をオンに保つためにMOSFETによって利用されています。ここのモーターは12Vモーターなので、7V電源で回転します。

ドレインに50V電源、ゲート/ソースに12Vの50Vモーターを使用したとすると、ソースに7Vしか表示されず、50Vモーターにはまったく動きがありません。

ただし、MOSFETのゲート/ソースに約62Vを印加するとします。これにより、MOSFETが即座にオンになり、そのソース電圧は、最大50Vのドレインレベルに達するまで急速に上昇し始めます。しかし、50Vのソース電圧でも、62Vのゲートはソースよりも62-50 = 12V高くなり、MOSFETとモーターの完全な導通が可能になります。

これは、上記の例のゲートソース端子が50Vモーターでフルスピードスイッチングを有効にするには、約50 + 12 = 62Vが必要になることを意味します。これにより、MOSFETのゲート電圧レベルを指定された12Vレベルで適切に上昇させることができます。 ソースの上 。

なぜMOSFETはそのような高いVgsで燃えないのですか？

ゲート電圧（V_gs）が印加されると、ドレイン側の高電圧が瞬時にオンになり、ソース端子に突入して過剰なゲート/ソース電圧をキャンセルします。最後に、実効12Vまたは10Vのみがゲート/ソースでレンダリングされます。

つまり、100Vがドレイン電圧であり、110Vがゲート/ソースに印加されると、ドレインからの100Vがソースに突入し、印加されたゲート/ソース電位100Vが無効になり、プラス10Vのみが手順を実行できるようになります。したがって、MOSFETは燃焼することなく安全に動作することができます。

ブートストラップとは

上記の段落から、HブリッジのハイサイドMOSFETのVgsとして、ドレイン電圧よりも約10V高い必要がある理由がわかりました。

上記の手順を実行する回線ネットワークは、Hブリッジ回線のブートストラップネットワークと呼ばれます。

標準のHブリッジドライバICでは、ブートストラップは、ハイサイドMOSFETのゲート/ソースにダイオードと高電圧コンデンサを追加することによって実現されます。

ローサイドMOSFETがオン（ハイサイドFETがオフ）の場合、HSピンとスイッチノードは接地されます。 V_ddバイパスコンデンサを介して電源を供給し、ブートストラップダイオードと抵抗を介してブートストラップコンデンサを充電します。

ローサイドFETがオフになり、ハイサイドがオンになると、ゲートドライバのHSピンとスイッチノードが高電圧バスHVに接続され、ブートストラップコンデンサが蓄積された電圧の一部を放電します（充電中に収集されます）。シーケンス）に示すように、ゲートドライバのHOピンとHSピンを介してハイサイドFETに接続します。

これに関する詳細については、参照することができますこの記事へ