Comutator bidirecțional

În această postare aflăm despre comutatoarele de alimentare bidirecționale MOSFET, care pot fi utilizate pentru operarea unei sarcini în două puncte bidirecțional. Acest lucru se face pur și simplu prin conectarea a două MOSFET-uri cu canal N sau canal P în serie cu linia de tensiune specificată.

Ce este un comutator bidirecțional

Un comutator de alimentare bidirecțional (BPS) este un dispozitiv activ construit folosind MOSFET-uri sau IGBT-uri , care permite un flux bidirecțional bidirecțional de curent atunci când este pornit și blochează un flux bidirecțional de tensiune atunci când este pornit.

Deoarece este capabil să conducă în ambele moduri, un comutator bidirecțional poate fi comparat și simbolizat ca un normal Comutator PORNIT / OPRIT așa cum se arată mai jos:

Aici, putem vedea o tensiune pozitivă se aplică în punctul 'A' al comutatorului și un potențial negativ este aplicat în punctul 'B', care permite curentului să curgă între 'A' la 'B'. Acțiunea poate fi inversată prin simpla schimbare a polarității tensiunii. Adică, punctele „A” și „B” ale BPS pot fi utilizate ca terminale de intrare / ieșire interschimbabile.

Cel mai bun exemplu de aplicație a unui BPS poate fi văzut în toate reclamele bazate pe MOSFET Proiecte SSR .

Caracteristici

În Electronică de putere , caracteristicile unui comutator bidirecțional (BPS) este definit ca un comutator cu patru cadrane care are capacitatea de a conduce curent pozitiv sau negativ în starea ON și, de asemenea, bloca curentul pozitiv sau negativ în starea OFF. Diagrama ON / OFF cu patru cadrane pentru un BPS este prezentată mai jos.

În diagrama de mai sus, cadranele sunt indicate în culoare verde, care indică starea ON a dispozitivelor, indiferent de polaritatea curentului de alimentare sau a formei de undă.

În diagrama de mai sus, linia dreaptă roșie indică faptul că dispozitivele BPS sunt în starea OFF și nu oferă absolut nicio conducție indiferent de polaritatea tensiunii sau a formei de undă.

Caracteristici principale pe care ar trebui să le aibă un BPS

• Un dispozitiv de comutare bidirecțională trebuie să fie extrem de adaptabil pentru a permite o conducere ușoară și rapidă a puterii din ambele părți, adică de la A la B și de la B la A.
• Atunci când este utilizat în aplicații DC, un BPS trebuie să prezinte o rezistență minimă la starea (Ron) pentru o reglare îmbunătățită a tensiunii sarcinii.
• Un sistem BPS trebuie să fie echipat cu circuite de protecție adecvate pentru a rezista curentului brusc în timpul unei schimbări de polaritate sau la condiții de temperatură ambientală relativ ridicate.

Construcția întrerupătorului bidirecțional

Un comutator bidirecțional este construit prin conectarea MOSFET-urilor sau IGBT-urilor înapoi în serie, după cum se arată în figurile următoare.

Aici, putem asista la trei metode fundamentale prin care poate fi configurat un comutator bidirecțional.

În prima diagramă, două MOSFET-uri cu canal P sunt configurate cu sursele lor conectate între ele.

În a doua diagramă, două MOSFET-uri cu canal N pot fi văzute conectate între sursele lor pentru implementarea unui design BPS.

În cea de-a treia configurație, două MOSFET-uri cu canal N sunt afișate drenaj atașat la drenaj pentru executarea conducției bidirecționale intenționate.

Detalii de funcționare de bază

Să luăm exemplul celei de-a doua configurații, în care MOSFET-urile sunt unite cu sursele lor înapoi în spate, să ne imaginăm că tensiunea pozitivă este aplicată de la „A” și negativă la „B”, așa cum se arată mai jos:

În acest caz, putem vedea că atunci când este aplicată tensiunea porții, curentul de la 'A' este permis să curgă prin MOSFET stâng, apoi prin dioda internă polarizată înainte D2 a MOSFET-ului din partea dreaptă și, în cele din urmă, conducerea se finalizează la punctul 'B '.

Când polaritatea tensiunii este inversată de la „B” la „A”, MOSFET-urile și diodele lor interne își schimbă pozițiile așa cum se arată în următoarea ilustrație:

În situația de mai sus, MOSFET-ul din partea dreaptă a BPS pornește împreună cu D1, care este dioda corpului intern al MOSFET-ului din stânga, pentru a permite conducerea de la „B” la „A”.

Realizarea de comutatoare bidirecționale discrete

Acum, să învățăm cum poate fi construit un comutator bidirecțional folosind componente discrete pentru o aplicație de comutare bidirecțională.

Următoarea diagramă arată implementarea de bază a BPS utilizând MOSFET-uri cu canal P:

Utilizarea MOSFETURILOR P-Channel

Când punctul 'A' este pozitiv, dioda corpului din stânga devine părtinitoare și conduce, urmată de p-MOSFET din partea dreaptă, pentru a finaliza conducerea în punctul 'B'.

Când punctul „B” este pozitiv, componentele respective ale părții opuse devin active pentru conducere.

MOSFET-ul cu canal N inferior controlează stările PORNIT / OPRIT ale dispozitivului BPS prin comenzi corespunzătoare porții PORNIT / OPRIT.

Rezistorul și condensatorul protejează dispozitivele BPS de o posibilă supratensiune de curent.

Cu toate acestea, utilizarea MOSFET cu canal P nu este niciodată modalitatea ideală de implementare a unui BPS datorită RDSonului lor ridicat . Prin urmare, acestea ar putea necesita dispozitive mai mari și mai costisitoare pentru a compensa împotriva căldurii și a altor ineficiențe conexe, comparativ cu proiectarea BPS pe canal N.

Utilizarea MOSFETURILOR N-Channel

În proiectarea următoare vedem o modalitate ideală de implementare a unui circuit BPS folosind MOSFET-uri cu canal N.

În acest circuit de comutare bidirecțional discret, sunt utilizate MOSFET-uri N-chanel conectate spate-în-spate. Această metodă necesită un circuit extern al driverului pentru a facilita conducerea puterii în două sensuri de la A la B și invers.

Diodele Schottky BA159 sunt utilizate pentru multiplexarea alimentărilor de la A și B pentru a activa circuitul pompei de încărcare, astfel încât pompa de încărcare să poată genera cantitatea necesară de tensiune de pornire pentru MOSFET-urile cu canal N.

Pompa de încărcare ar putea fi construită folosind un standard circuit de dublare a tensiunii sau un mic comutarea impuls circuit.

3,3 V este aplicat pentru alimentarea optimă a pompei de încărcare, în timp ce diodele Schottky derivă tensiunea porții direct de la intrarea respectivă (A / B), chiar dacă sursa de intrare este de până la 6 V. Acest 6 V este apoi dublat de încărcați ump pentru porțile MOSFET.

MOSFET-ul cu canal N inferior este destinat controlului comutării ON / OFF a comutatorului bidirecțional conform specificațiilor dorite.

Singurul dezavantaj al utilizării unui MOSFET cu canal N în comparație cu canalul P discutat anterior sunt aceste componente suplimentare care pot consuma spațiu suplimentar pe PCB. Cu toate acestea, acest dezavantaj este depășit de R (pornit) scăzut al MOSFET-urilor și de o conducție extrem de eficientă și de MOSFET-uri de dimensiuni mici, cu costuri reduse.

Acestea fiind spuse, acest design nu oferă nici o protecție eficientă împotriva supraîncălzirii și, prin urmare, dispozitivele supradimensionate pot fi luate în considerare pentru aplicații de mare putere.

Concluzie

Un comutator bidirecțional poate fi construit destul de ușor folosind câteva MOSFET-uri conectate înapoi în spate. Aceste comutatoare pot fi implementate pentru multe aplicații diferite care necesită o comutare bidirecțională a sarcinii, cum ar fi de la sursa de curent alternativ.

Referințe:

TPS2595xx, 2,7 V la 18 V, 4-A, 34-mΩ eFuse cu fișă tehnică de protecție rapidă la supratensiune

TPS2595xx Instrument de calcul de proiectare

Dispozitive de siguranță electronică