En aquesta publicació coneixem els interruptors d’alimentació bidireccionals MOSFET, que es poden utilitzar per operar una càrrega en dos punts de manera bidireccional. Això es fa simplement connectant dos MOSFET de canal N, o canal P, en sèrie amb la línia de tensió especificada.
Què és un commutador bidireccional
Un interruptor d’alimentació bidireccional (BPS) és un dispositiu actiu construït mitjançant MOSFET o IGBT , que permet un flux bidireccional de corrent bidireccional quan s’encén, i bloqueja un flux de tensió bidireccional quan s’apaga.
Com que és capaç de dur a terme ambdues maneres, es pot comparar i canviar un commutador bidireccional com a normal Interruptor ON / OFF com es mostra a continuació:
Aquí podem veure que s’aplica una tensió positiva al punt “A” del commutador i que s’aplica un potencial negatiu al punt “B”, que permet que el corrent flueixi entre “A” i “B”. L'acció es pot revertir simplement canviant la polaritat del voltatge. És a dir, els punts 'A' i 'B' del BPS es poden utilitzar com a terminals d’entrada / sortida intercanviables.
El millor exemple d'aplicació d'un BPS es pot veure a tots els anuncis basats en MOSFET Dissenys SSR .
Característiques
En Electrònica de potència , les característiques d'un commutador bidireccional (BPS) es defineixen com un commutador de quatre quadrants que té la capacitat de conduir corrent positiu o negatiu en estat ON, i també bloquejar el corrent positiu o negatiu en estat OFF. A continuació es mostra el diagrama ON / OFF de quatre quadrants d’un BPS.
Al diagrama anterior, els quadrants s’indiquen en color verd que indica l’estat ON dels dispositius independentment de la polaritat del corrent d’alimentació o de la forma d’ona.
Al diagrama anterior, la línia recta vermella indica que els dispositius BPS estan en estat OFF i no ofereixen absolutament cap conducció independentment de la polaritat del voltatge o de la forma d'ona.
Funcions principals que hauria de tenir un BPS
- Un dispositiu de commutació bidireccional ha de ser altament adaptable per permetre una conducció d'energia fàcil i ràpida des dels dos costats, que es troba entre A a B i B a A.
- Quan s’utilitza en aplicacions de CC, un BPS ha de presentar una resistència mínima en estat (Ron) per millorar la regulació de la tensió de la càrrega.
- Un sistema BPS ha d’estar equipat amb circuits de protecció adequats per suportar el sobtat corrent de pujada durant un canvi de polaritat o a condicions de temperatura ambient relativament elevades.
Construcció d’interruptors bidireccionals
Un commutador bidireccional es construeix connectant MOSFET o IGBT de nou en sèrie, com es mostra a les figures següents.
Aquí podem veure tres mètodes fonamentals mitjançant els quals es pot configurar un commutador bidireccional.
En el primer diagrama, es configuren dos MOSFET de canal P amb les seves fonts connectades entre si.
Al segon diagrama, es poden veure dos MOSFETS de canal N connectats a través de les seves fonts per implementar un disseny BPS.
A la tercera configuració, es mostren dos MOSFET de canal N connectats a drenatge per executar la conducció bidireccional prevista.
Detalls bàsics de funcionament
Prenguem l'exemple de la segona configuració, en què els MOSFET s'uneixen amb les seves fonts d'esquena a esquena, imaginem que el voltatge positiu s'aplica de 'A' i negatiu a 'B', com es mostra a continuació:
En aquest cas, podem veure que quan s’aplica la tensió de la porta, es permet que el corrent de “A” flueixi a través del MOSFET esquerre, a través del díode polaritzat intern D2 del MOSFET del costat dret i, finalment, la conducció es completa al punt “B”. '.
Quan la polaritat de voltatge s’inverteix de “B” a “A”, els MOSFET i els seus díodes interns giren les seves posicions tal com es mostra a la següent il·lustració:
En la situació anterior, el MOSFET del costat dret del BPS s'encén juntament amb D1, que és el díode intern del cos del MOSFET del costat esquerre, per permetre la conducció de 'B' a 'A'.
Realització d’interruptors bidireccionals discrets
Ara aprenem com es pot construir un commutador bidireccional mitjançant components discrets per a una aplicació de commutació bidireccional prevista.
El següent diagrama mostra la implementació bàsica de BPS mitjançant MOSFET de canal P:
Utilitzant MOSFETS de canal P
Quan el punt 'A' és positiu, el díode corporal del costat esquerre s'esbiaixa cap endavant i condueix, seguit del p-MOSFET del costat dret, per completar la conducció al punt 'B'.
Quan el punt 'B' és positiu, els components respectius del costat oposat s'activen per a la conducció.
El MOSFET de canal N inferior controla els estats ON / OFF del dispositiu BPS mitjançant ordres de porta ON / OFF adequades.
La resistència i el condensador protegeixen els dispositius BPS d'una possible pujada de corrent.
No obstant això, utilitzar MOSFET de canal P mai és la forma ideal d'implementar un BPS a causa del seu alt RDSon . Per tant, poden requerir dispositius més grans i costosos per compensar la calor i altres ineficiències relacionades, en comparació amb el disseny BPS basat en canal N.
Ús de MOSFETS de canal N
En el següent disseny veiem una forma ideal d'implementar un circuit BPS mitjançant MOSFET de canal N.
En aquest circuit d’interruptors bidireccionals discrets, s’utilitzen MOSFET N-chanel connectats consecutivament. Aquest mètode requereix un circuit de controlador extern per facilitar la conducció de potència bidireccional d'A a B i a la inversa.
Els díodes Schottky BA159 s’utilitzen per multiplexar els subministraments d’A i B per activar el circuit de la bomba de càrrega, de manera que la bomba de càrrega sigui capaç de generar la quantitat necessària d’activació de voltatge per als MOSFET de canal N.
La bomba de càrrega es podria construir mitjançant un estàndard circuit de duplicador de tensió o una petita augmentar el canvi circuit.
El 3,3 V s’aplica per alimentar la bomba de càrrega de forma òptima, mentre que els díodes Schottky deriven la tensió de la porta directament des de l’entrada respectiva (A / B), fins i tot si l’alimentació d’entrada és tan baixa com 6 V. Aquest 6 V es duplica carrega ump per les portes del MOSFET.
El MOSFET de canal N inferior serveix per controlar el commutador ON / OFF del commutador bidireccional segons les especificacions desitjades.
L'únic desavantatge d'utilitzar un MOSFET de canal N en comparació amb el canal P comentat anteriorment són aquests components addicionals que poden consumir espai addicional a la PCB. No obstant això, aquest desavantatge es veu compensat per la baixa R (activada) dels MOSFET i la conducció altament eficient i els MOSFET de petita mida de baix cost.
Dit això, aquest disseny tampoc proporciona cap protecció eficaç contra la sobrecalentament i, per tant, es poden considerar dispositius de grans dimensions per a aplicacions d’alta potència.
Conclusió
Es pot construir fàcilment un commutador bidireccional mitjançant un parell de MOSFET connectats esquena amb esquena. Aquests commutadors es poden implementar per a moltes aplicacions diferents que requereixen una commutació bidireccional de la càrrega, com ara des de la font de CA.
Referències:
TPS2595xx, 2,7 V a 18 V, 4-A, 34-mΩ eFuse amb full de dades de protecció ràpida contra sobretensions
TPS2595xx Eina de càlcul de disseny
Dispositius de fusibles electrònics
Anterior: circuits de comparació que utilitzen IC 741, IC 311, IC 339 Següent: Rectificació de díodes: mitja ona, ona completa, PIV
