ブートストラップ回路の原理

【初心者向け】ブートストラップ回路の「原理」を解説します!

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困っている人

マイコンやICを勉強していく中で「ブートストラップ回路」というワードをよく耳にする。
どんな回路なんだろう?

こんな疑問を解消します。

ブートストラップ回路は、主に『ハーフブリッジ回路上段のNch MOSFETを駆動する場合に使用される回路』です。

最近ではハーフブリッジ回路上段にNch MOSFETが使用されることが多いため、ブートストラップの原理は必ず覚えておかなければなりません。

そこで今回は、ブートストラップ回路の「原理」について解説します!
 

本記事の内容・ ブートストラップ回路とは
・ 上段をPch-MOSにしない理由
・ ブートストラップ回路の『構成』と『動作原理』
・ ブートストラップ回路の注意点
・ まとめ
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ブートストラップ回路とは?どんな用途で実装される?

ブートストラップ回路
ブートストラップ回路は、『ハーフブリッジ回路上段がNch-MOS』である場合に使用される回路です。

上段のNch-MOSを駆動するためには、MOSのゲート電圧がソース電圧よりも一定以上高くなければなりません。
 
 
 
上段MOSがONすると『ソース電圧はVB』となるため、ゲート電圧はVBより高い必要があります。

しかし、ほとんどの場合『VBは回路内で最大の電圧』であるため、VBより高い電圧をゲートに印加するのは不可能です。

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もっぷ

そのため、回路内でVBより高い電圧を生成する回路として、『ブートストラップ回路』が使用されます。

 

上段をPch-MOSにしない理由

疑問
上段をPch-MOSにした場合、ゲート電圧がVBより低ければMOSは駆動可能となります。

そのため、ブートストラップ回路を使用する必要がありません。
 
 
 
しかし、Pch-MOSはNch-MOSよりもオン抵抗が高いため、電力損失が高くなってしまいます。

また、価格もNch-MOSより高いため、Nch-MOSを採用する場合が多いです。

【Pch-MOSが採用されない理由】
 
・オン抵抗が高いため、電力損失が高い。
 
・価格が高い。

 

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もっぷ

回路素子が多くなることよりも、効率やコストを重視する流れなのです。

 

ブートストラップ回路の『構成』と『動作原理』

電子回路
回路に追加する部品は、『ダイオード』『コンデンサ』です。

どのようにしてゲート電圧を高めるか説明していきます。
 
 
【コンデンサ充電】
ブートストラップコンデンサ充電
まずは、『上段MOSをオフ・下段MOSをオン』することによって図のような経路で電流が流れます。

その結果、コンデンサが充電されます。
 
 
【コンデンサ放電】
ブートストラップコンデンサ放電
次に、『上段MOSをオン・下段MOSをオフ』することによって図のような経路で電流が流れます。

その結果、コンデンサから電荷が放電されるため、ゲート電圧が高まるのです。

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ダイオードにより、コンデンサから放電された電荷が電源VCに流れないのです。

 

ブートストラップ回路の注意点

エラー
MOSの駆動周波数が高い場合、コンデンサに充電する時間が十分でなくなってしまいます。

その結果、コンデンサから放電される電荷が足りなくなり、上段MOSを駆動する十分なゲート電圧まで上昇しなくなります。
 

まとめ

まとめ
いかがでしたでしょうか。

電子回路を設計する上で『ブートストラップ回路』は必須の知識です。

ブートストラップ回路の『原理』をしっかりと理解しましょう。

この記事が、皆様のお役に立てば幸いです。

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