Obojsmerný prepínač

V tomto príspevku sa dozvieme o obojsmerných výkonových prepínačoch MOSFET, ktoré sa dajú použiť na prevádzkovanie záťaže v dvoch bodoch obojsmerne. Toto sa jednoducho deje pripojením dvoch N-kanálových alebo P-kanálových MOSFETov zozadu do série so špecifikovaným napäťovým vedením.

Čo je to obojsmerný prepínač

Obojsmerný vypínač (BPS) je aktívne zariadenie vyrobené pomocou MOSFET alebo IGBT , ktorý umožňuje obojsmerný tok prúdu pri zapnutí a blokuje obojsmerný tok napätia pri vypnutí.

Pretože je schopný viesť oboma spôsobmi, možno obojsmerný prepínač porovnať a symbolizovať ako normálny Vypínač ako je uvedené nižšie:

Tu vidíme kladné napätie privedené v bode „A“ spínača a záporný potenciál v mieste „B“, čo umožňuje prúdenie prúdu cez „A“ do „B“. Akciu je možné zvrátiť jednoduchou zmenou polarity napätia. To znamená, že body „A“ a „B“ BPS môžu byť použité ako vymeniteľné vstupné / výstupné svorky.

Najlepší príklad aplikácie BPS je možné vidieť vo všetkých reklamách založených na MOSFET SSR návrhy .

Charakteristiky

V Výkonová elektronika , charakteristiky obojsmerného prepínača (BPS) sú definované ako štvorkvadrantový prepínač, ktorý má schopnosť viesť kladný alebo záporný prúd v stave ZAPNUTÉ a tiež blokovať kladný alebo záporný prúd v stave VYPNUTÉ. Štvorkvadrantový diagram ZAP / VYP pre BPS je uvedený nižšie.

Na vyššie uvedenom diagrame sú kvadranty označené zelenou farbou, čo indikuje stav ZAPNUTÉ zariadenia bez ohľadu na polaritu napájacieho prúdu alebo priebeh.

Vo vyššie uvedenom diagrame červená rovná čiara naznačuje, že zariadenia BPS sú v stave VYPNUTÉ a neponúkajú absolútne žiadne vedenie bez ohľadu na polaritu napätia alebo tvar vlny.

Hlavné vlastnosti, ktoré by BPS malo mať

• Obojsmerné prepínacie zariadenie musí byť vysoko adaptabilné, aby umožňovalo ľahké a rýchle vedenie energie z oboch strán, tj. Cez A do B a B do A.
• Ak sa používa v DC aplikácii, musí BPS vykazovať minimálny odpor stavu (Ron) pre lepšiu reguláciu napätia záťaže.
• Systém BPS musí byť vybavený príslušnými ochrannými obvodmi, aby odolali náhlym náporovým prúdom počas zmeny polarity alebo pri relatívne vysokých teplotách okolia.

Konštrukcia obojsmerného spínača

Obojsmerný prepínač je skonštruovaný tak, že sa sériovo pripájajú MOSFET alebo IGBT k sebe, ako je to znázornené na nasledujúcich obrázkoch.

Tu môžeme byť svedkami troch základných metód, pomocou ktorých možno konfigurovať obojsmerný prepínač.

V prvom diagrame sú konfigurované dva M-kanály M-kanálu P s kanálovými zdrojmi navzájom prepojenými.

Na druhom diagrame je možné vidieť dva N-kanálové MOSFETY spojené cez ich zdroje na implementáciu návrhu BPS.

V tretej konfigurácii sú zobrazené dva N-kanálové MOSFETy pripojené odtok k odtoku na vykonávanie zamýšľaného obojsmerného vedenia.

Základné funkčné podrobnosti

Zoberme si príklad druhej konfigurácie, v ktorej sú MOSFETy spojené so svojimi zdrojmi dozadu, predstavme si, že kladné napätie je privedené z „A“ a záporné na „B“, ako je uvedené nižšie:

V tomto prípade vidíme, že keď sa použije hradlové napätie, prúd z „A“ môže tiecť cez ľavý MOSFET, potom cez vnútornú dopredu smerovanú diódu D2 pravej strany MOSFET a nakoniec sa vedenie dokončí v bode „B“. '.

Keď je polarita napätia obrátená z „B“ na „A“, MOSFET a ich vnútorné diódy otočia svoje polohy, ako je to znázornené na nasledujúcom obrázku:

Vo vyššie uvedenej situácii sa pravý bočný MOSFET BPS zapne spolu s D1, čo je vnútorná dióda tela ľavého bočného MOSFET, aby sa umožnilo vedenie z „B“ do „A“.

Výroba samostatných obojsmerných prepínačov

Teraz sa naučíme, ako je možné zostaviť obojsmerný prepínač pomocou samostatných komponentov pre zamýšľanú obojsmernú prepínaciu aplikáciu.

Nasledujúci diagram zobrazuje základnú implementáciu BPS pomocou MOSFETov s kanálom P:

Používanie P-kanálových MOSFETOV

Keď je bod „A“ kladný, dióda tela na ľavej strane sa predkloní a vedie, potom nasleduje p-MOSFET z pravej strany, aby dokončil vedenie v bode „B“.

Keď je bod „B“ kladný, príslušné komponenty na opačnej strane sa stanú aktívnymi pre vedenie.

Dolný N-kanálový MOSFET riadi stavy ON / OFF zariadenia BPS pomocou príslušných príkazov brány ON / OFF.

Rezistor a kondenzátor chránia zariadenia BPS pred možným nárazovým prúdom.

Používanie MOSFETu s kanálom P však nikdy nie je ideálnym spôsobom implementácie BPS kvôli ich vysokému RDSon . Preto môžu vyžadovať väčšie a nákladnejšie zariadenia na kompenzáciu tepla a ďalších súvisiacich neefektívností v porovnaní s BPS dizajnom založeným na N-kanáloch.

Používanie N-kanálových MOSFETOV

V ďalšom návrhu uvidíme ideálny spôsob implementácie BPS obvodu pomocou N-kanálových MOSFETov.

V tomto diskrétnom obojsmernom prepínacom obvode sa používajú vzájomne prepojené N-chanel MOSFET. Táto metóda vyžaduje externý budiaci obvod na uľahčenie obojsmerného vedenia energie z A do B a naopak.

Schottkyho diódy BA159 sa používajú na multiplexovanie napájacích zdrojov z A a B na aktiváciu obvodu nabíjacieho čerpadla, takže nabíjacie čerpadlo je schopné generovať potrebné množstvo zapínacieho napätia pre N-kanálové MOSFETy.

Plniace čerpadlo bolo možné vyrobiť pomocou štandardu obvod zdvojovača napätia alebo malý zosilnenie prepínania obvod.

3,3 V slúži na optimálne napájanie nabíjacieho čerpadla, zatiaľ čo Schottkyho diódy odvodzujú hradlové napätie priamo z príslušného vstupu (A / B), aj keď je vstupné napájanie len 6 V. Toto 6 V potom zdvojnásobí účtujte poplatok za brány MOSFET.

Dolný N-kanálový MOSFET slúži na riadenie zapínania a vypínania obojsmerného prepínača podľa požadovaných špecifikácií.

Jedinou nevýhodou použitia N-kanálového MOSFET v porovnaní s predtým diskutovaným P-kanálom sú tieto ďalšie komponenty, ktoré môžu zaberať viac miesta na PCB. Táto nevýhoda je však vyvážená nízkym R (on) MOSFET a vysoko efektívnym vedením a nízkymi nákladmi malých MOSFET.

To znamená, že táto konštrukcia tiež neposkytuje žiadnu účinnú ochranu pred prehriatím, a preto je možné uvažovať o nadmerne veľkých zariadeniach pre aplikácie s vysokým výkonom.

Záver

Obojsmerný prepínač je možné ľahko zostaviť pomocou dvojice pripojených MOSFETov pripojených k sebe. Tieto prepínače môžu byť implementované pre mnoho rôznych aplikácií, ktoré vyžadujú obojsmerné prepínanie záťaže, napríklad zo zdroja striedavého prúdu.

Referencie:

TPS2595xx, 2,7 V až 18 V, 4 A, 34 mΩ eFuse s rýchlym údajom o prepäťovej ochrane

Nástroj na výpočet návrhu TPS2595xx

Zariadenia s elektronickou poistkou