H-Bridge Nedir?

H-Bridge devreleri alternatif akım oluşturmak, motor sürmek, yüksek verimli dc/dc dönüştürücüler yapmak ve birçok farklı devreyi de yapmak için kullanılabilirler. 2 adet çıkışı vardır ve bu uçlar arasında polarizasyon değişimi yapabilirler. Birçok transistor tipi ile kurulabilirler. Genellikle BJT tipi transistör ile kurulsa da yüksek frekans gerektiren noktalarda MOSFET, yüksek gerilim ve akım gerektiren projelerde ise IGBT genelde ilk tercihlerdir.

H-Bridge Nedir?

H-Bridge

H-Bridge bir yükün iki kutbunun polarizasyonunu 4 anahtar kullanarak değiştirilmesini sağlayan devreye verilen isimdir.

Genellikle motor sürmek için kullanılırlar. Motorlar indüktif yükler oldukları için oluşturdukları zıt emk'dan korunmak için 4 adet diyot gereklidir. Bu diyotlar mosfetlerde vücut diyotları olabilirler ancak diğer vücut diyotu olmayan anahtarlama elemanları için genellikle 4 adet diyot bağlantısı kullanılır. Anahtarlama elemanları pek çok elemandan oluşabilir bunlar genellikle BJT, FET ya da IGBT olarak seçilirler. 

BJT Type H-Bridge

NPN/PNP H-Bridge

 Bu devrede göründüğü gibi high-side olarak pnp ve low-side olarak npn transistörler tercih edilmiş. Bu devrede dikkat etmemiz gereken nokta high-side kısmında kullanılan transistörlerin anahtar-açık konuma gelmesi için base voltajının emiter voltajına eşit olması gerekmesidir.

Eğer V+ voltajımız kullanacağımız sinyal voltajından daha düşükse çok büyük bir problem yok demektir. Sinyal pinlerine transistörlerin kazanç değerleri ve yük akımına göre bağlanan uygun direnç ve yeterli sinyal akımı ile devre rahatça kullanılabilir. Ancak eğer V+ voltajımız sinyal voltajımızdan yüksekse bu durumda sinyal voltajımızı farklı bir devre kullanarak yükseltmemiz gerekmektedir.

Bunun için birçok farklı devre kurulabilir özellikle yüksek akımlı devreler için farklı sürme yöntemleri gereklidir ancak genellikle basit devrelerde pull-up yapılmış sinyal pini bir npn transistör ile gerekli zamanlarda 0V'a çekilerek anahtarlama sağlanabilir. Bazı özel durumlar için npn transistör yerine optokuplör ya da farklı anahtarlama elemanları bağlanabilir. Eğer sürerken sinyalin terslendiğine dikkat etmezsek h-bridge devresi kısa devre olacak ve muhtemelen transistörler ya da güç kaynağı zarar görecektir.

Logic Inverter or Not Gate Circuit with Transistor/Optocoupler

NPN Only H-Bridge

Bu devreye baktığımızda ise high-side ve low-side olarak npn transistörlerin kullanıldığını görebiliriz. Bu devrede high-side kısmında bulunan npn transistörlerde kayıp olmaması için base voltajı V+ voltajından en az 0.6V~ fazla olması gerektiği için genellikle tercih edilmezler.

Dediğim gibi 0.6V fazlaya ihtiyacımız var bu yine sinyal voltajı V+ voltajından fazlaysa dert etmemize gerek olmayan bir durum ancak eğer V+ voltajından daha düşük bir sinyal voltajımız varsa mecburen voltaj yükseltme devrelerine ihtiyacımız olacaktır. Voltajı yükseltmek için birçok devre çeşidi bulunmakta ancak transistörler için sıkça tercih edilen tipleri başlıca bootstrap, izoleli high-side transistör sürücü ve gate-transformatörleridir.

Bu durum ek devre maliyetleri de eklendiği için çok fazla tercih edilmezler.

MOSFET Type H-Bridge

N/P Channel H-Bridge

Bu devre tarzında yine bipolarlarda olduğu gibi p kanal mosfetlerde de source-theresold voltajı kadar bir voltaja ihtiyacımız var. Bunun çözümü yine yukarıda verdiğimiz devredir. Ancak mosfet kullanırken unutmamak gerekenlerden birisi elektrik alan ile çalıştıklarıdır. Yani temelinde biz sürekli bir kapasitörü şarj ediyor ve tekrar deşarj ediyoruz. Bundan kaynaklı yüksek frekanslarda gate driver ile sürülmelidir.

Bu devrede de transistörlü logic inverter ile voltaj source-theresold voltajına kadar çıkarılabilir.

N Channel Only H-Bridge

Bu devre tarzını çok fazla göreceğinize eminim. Çünkü n kanal mosfetler p kanal mosfetlere göre daha yüksek akım destekleri ve daha düşük dirençlerde üretilebilmekte bu nedenle genellikle high-side n kanal mosfet tipi p kanal mosfetlere göre daha sık tercih edilmektedir. Ancak burada yine sorunumuz voltaj. N kanal mosfetleri high-side anahtarlamak için drain voltajının üstüne çıkmamız gerekiyor.

Bunu sağlamak için charge pump, bootstrap tarzı yöntemler kullanılsa da bunların hepsini yöneten bir gate driver tüm işi çözecektir. Ancak gate driver maliyetini de eklediğimiz için genellikle yüksek akım gerektirmeyen projelerde çok sık tercih edilmezler.

Half H-Bridge

Photo Source Resim düzeltilecektir. / Gate Driver and Half H-Bridge

Aslında Full H-Bridge devresi Half H-Bridge yapılarından oluşurlar. En önemli farkları Half H-Bridge devresinin tek çıkışının olmasıdır. Tek çıkış olduğu için çift kutuplu akım polarizasyonu sağlanamaz ancak yine de kullanım alanları çok fazladır.

Ayrıca bldc motor sürücülerinde faz yapılarını oluşturmak için kullanılırlar. Step motor sürmek için ise bazı özel yöntemler haricinde 4 tane half h-bridge yapısı devresi kullanılır (2 Full H-Bridge). Ayrıca dc/ac inverter devrelerinin temelini oluşturur. Bunlardan kısa kısa bahsedebiliriz.

H-Bridge BLDC Sürücü Temelleri

BLDC sürücüler pozisyon bilgisini alma yöntemine göre ikiye ayrılıyorlar. Bu ayrım sensörlü ve sensörsüz bldc sürücü şeklindedir. Sensörlü BLDC sürücülerde genellikle hall-effect sensör kullanılır. Sensörsüz sürücülerde ise daha önceki yazımda bahsettiğim zıt emk yöntemi kullanılır.

Ancak her iki yapıda da H-Bridge kullanılır. Fırçasız motorlarda 3 faz olduğu için 3 adet half h-bridge devresinden oluşurlar. Bu half h-bridge devreleri genellikle bir gate-driver ile kontrol edilir. Sürücü kontrolcüsü aldığı pozisyon bilgisine göre gate-driver pinlerine genellikle pwm sinyali olarak gönderir. Bu pwm sinyalinin duty-cycle oranı bir sinüs dalgası oluşturacak şekilde değiştirilerek faz yapısı elde edilir ve böylece bldc motor sürülmüş olur.

H-Bridge DC/AC Dönüştürücü Temelleri

Inverter sistemleri birçok bölümden oluşur ancak ben h-bridge yapısının kullanıldığı bölümden bahsedeceğim belki başka bir yazımda bu cihazlardan ayrıntılı bir şekilde bahsederim.

Fırçasız motor sürücü devresinde de bahsettiğim gibi half h-bridge devreleri ile faz oluşturulabilmektedir. Bu nedenle inverter(DC/AC) devrelerinde genellikle 3 adet half h-bridge devresiyle gelen doğru akımı mikrokontrolcü denetiminde belirli pwm sinyalleriyle sinüs dalgası şekline getirilirler. Ardından bu oluşturulan pwm fazlar gerçek sinüs dalgası haline gelmesi için genellikle bir bobinden ardından da voltajı yükseltmek ve izolasyonu sağlamak için bir transformatörden geçirilirler.

Photo Source

 

Kaynaklar:

https://www.build-electronic-circuits.com/h-bridge/

https://artofelectronics.net/

Power Electronics | Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins