В этом посте мы узнаем о двунаправленных переключателях питания MOSFET, которые можно использовать для двунаправленного управления нагрузкой по двум точкам. Это просто делается путем последовательного соединения двух N-канальных или P-канальных полевых МОП-транзисторов с заданной линией напряжения.
Что такое двунаправленный переключатель
Двунаправленный переключатель мощности (BPS) - это активное устройство, построенное с использованием МОП-транзисторы или БТИЗ , который обеспечивает двусторонний двунаправленный ток при включении и блокирует двунаправленный поток напряжения при выключенном питании.
Поскольку он может работать в обоих направлениях, двунаправленный переключатель можно сравнить и обозначить как обычный Переключатель ВКЛ / ВЫКЛ как показано ниже:
Здесь мы видим, что положительное напряжение приложено к точке «A» переключателя, а отрицательное напряжение приложено к точке «B», что позволяет току течь через «A» к «B». Действие можно изменить, просто изменив полярность напряжения. Это означает, что точки «A» и «B» BPS могут использоваться в качестве взаимозаменяемых клемм ввода / вывода.
Лучший пример применения BPS можно увидеть во всех коммерческих MOSFET-транзисторах. ССР конструкции .
Характеристики
В Силовая электроника , характеристики двунаправленного переключателя (BPS) определяются как четырехквадрантный переключатель, имеющий способность проводить положительный или отрицательный ток во включенном состоянии, а также блокировать положительный или отрицательный ток в выключенном состоянии. Четырехквадрантная диаграмма включения / выключения для BPS показана ниже.
На приведенной выше диаграмме квадранты обозначены зеленым цветом, который указывает на состояние ВКЛ устройств независимо от полярности тока питания или формы волны.
На приведенной выше диаграмме красная прямая линия указывает на то, что устройства BPS находятся в выключенном состоянии и не обеспечивают никакой проводимости независимо от полярности напряжения или формы волны.
Основные характеристики, которые должен иметь BPS
- Устройство двунаправленного переключателя должно быть легко адаптируемым, чтобы обеспечить простую и быструю передачу энергии с обеих сторон, то есть от А к В и от В к А.
- При использовании в приложении постоянного тока BPS должен иметь минимальное сопротивление в рабочем состоянии (Ron) для улучшенного регулирования напряжения нагрузки.
- Система BPS должна быть оборудована соответствующей схемой защиты, чтобы выдерживать внезапный бросок тока во время смены полярности или в условиях относительно высокой температуры окружающей среды.
Конструкция двунаправленного переключателя
Двунаправленный переключатель создается путем последовательного соединения MOSFET или IGBT, как показано на следующих рисунках.
Здесь мы можем увидеть три основных метода настройки двунаправленного переключателя.
На первой схеме два P-канальных полевых МОП-транзистора сконфигурированы с их источниками, подключенными вплотную друг к другу.
На второй схеме можно увидеть два N-канальных полевых МОП-транзистора, подключенных через свои источники для реализации конструкции BPS.
В третьей конфигурации показаны два N-канальных полевых МОП-транзистора, подключенных от стока к стоку для выполнения намеченной двунаправленной проводимости.
Основные функциональные детали
Давайте возьмем пример второй конфигурации, в которой полевые МОП-транзисторы соединены со своими источниками вплотную друг к другу, давайте представим, что положительное напряжение подается от «А», а отрицательное - к «В», как показано ниже:
В этом случае мы можем видеть, что при приложении напряжения затвора ток от 'A' может течь через левый MOSFET, затем через внутренний диод D2 с прямым смещением D2 правого MOSFET, и, наконец, проводимость завершается в точке 'B '.
Когда полярность напряжения меняется с «B» на «A», полевые МОП-транзисторы и их внутренние диоды меняют свое положение, как показано на следующем рисунке:
В вышеупомянутой ситуации правый MOSFET BPS включается вместе с D1, который является внутренним диодом левого MOSFET, чтобы обеспечить проводимость от «B» к «A».
Создание дискретных двунаправленных переключателей
Теперь давайте узнаем, как можно построить двунаправленный коммутатор с использованием дискретных компонентов для предполагаемого приложения двустороннего переключения.
На следующей диаграмме показана базовая реализация BPS с использованием P-канальных MOSFET:
Использование МОП-транзисторов с P-каналом
Когда точка «A» положительна, левый основной диод смещается в прямом направлении и проводит ток, а затем правый p-MOSFET, чтобы завершить проводимость в точке «B».
Когда точка «B» положительна, соответствующие компоненты на противоположной стороне становятся активными для проводимости.
Нижний N-канальный полевой МОП-транзистор управляет состояниями включения / выключения устройства BPS с помощью соответствующих команд включения / выключения затвора.
Резистор и конденсатор защищают устройства BPS от возможного скачка тока.
Однако использование P-канального MOSFET никогда не является идеальным способом реализации BPS. из-за их высокого RDSon . Следовательно, для компенсации тепловыделения и другой связанной с этим неэффективности могут потребоваться более крупные и дорогие устройства по сравнению с N-канальной конструкцией BPS.
Использование N-канальных МОП-транзисторов
В следующем проекте мы видим идеальный способ реализации схемы BPS с использованием N-канальных полевых МОП-транзисторов.
В этой схеме дискретного двунаправленного переключателя используются последовательно соединенные N-канальные МОП-транзисторы. Этот метод требует наличия внешней схемы драйвера для обеспечения двусторонней проводимости энергии от A к B и в обратном направлении.
Диоды Шоттки BA159 используются для мультиплексирования источников питания от A и B для активации схемы подкачки заряда, так что подкачка заряда может генерировать необходимое количество напряжения включения для N-канальных полевых МОП-транзисторов.
Зарядный насос может быть построен с использованием стандартного схема удвоителя напряжения или небольшой ускоренное переключение схема.
3,3 В применяется для оптимального питания зарядового насоса, в то время как диоды Шоттки получают напряжение затвора непосредственно с соответствующего входа (A / B), даже если входное напряжение составляет всего 6 В. Эти 6 В затем удваиваются на UMP заряда для ворот MOSFET.
Нижний N-канальный полевой МОП-транзистор предназначен для управления переключением включения / выключения двунаправленного переключателя в соответствии с желаемыми спецификациями.
Единственный недостаток использования N-канального MOSFET по сравнению с ранее обсуждавшимся P-каналом - это дополнительные компоненты, которые могут занимать дополнительное место на печатной плате. Однако этот недостаток перевешивается низким R (вкл.) Полевых МОП-транзисторов, высокоэффективной проводимостью и низкой стоимостью полевых МОП-транзисторов небольшого размера.
Тем не менее, эта конструкция также не обеспечивает какой-либо эффективной защиты от перегрева, и поэтому устройства увеличенного размера могут рассматриваться для приложений с высокой мощностью.
Заключение
Двунаправленный переключатель можно довольно легко построить, используя пару полевых МОП-транзисторов, подключенных вплотную друг к другу. Эти переключатели могут быть реализованы для множества различных приложений, которые требуют двунаправленного переключения нагрузки, например, от источника переменного тока.
Рекомендации:
Инструмент расчета дизайна TPS2595xx
Электронные предохранители
Предыдущая: Схемы компаратора с использованием IC 741, IC 311, IC 339 Далее: Диодное выпрямление: полуволновое, полноволновое, PIV
