Obousměrný spínač

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





V tomto příspěvku se dozvídáme o obousměrných výkonových spínačích MOSFET, které lze použít pro provoz zátěže ve dvou bodech obousměrně. To se jednoduše provádí připojením dvou N-kanálových nebo P-kanálových MOSFETů zády k sobě v sérii se specifikovaným napěťovým vedením.

Co je obousměrný přepínač

Přepínač obousměrného napájení (BPS) je aktivní zařízení vyrobené pomocí MOSFETy nebo IGBT , který umožňuje obousměrný tok proudu při zapnutí a blokuje obousměrný tok napětí při vypnutí.



Jelikož je schopen provádět oběma způsoby, lze obousměrný přepínač porovnat a symbolizovat jako normální Vypínač ON / OFF Jak je ukázáno níže:

Zde vidíme kladné napětí aplikované v bodě „A“ spínače a záporný potenciál v bodě „B“, což umožňuje proud protékat přes „A“ do „B“. Akci lze zvrátit jednoduše změnou polarity napětí. To znamená, že body „A“ a „B“ BPS lze použít jako vyměnitelné vstupní / výstupní svorky.



Nejlepší příklad aplikace BPS lze vidět ve všech reklamách založených na MOSFET SSR designy .

Vlastnosti

v Výkonová elektronika , charakteristika obousměrného spínače (BPS) je definována jako čtyřkvadrantový spínač, který má schopnost vést kladný nebo záporný proud ve stavu ZAPNUTO a také blokovat kladný nebo záporný proud ve stavu VYPNUTO. Čtyřkvadrantový diagram ZAP / VYP pro BPS je uveden níže.

Ve výše uvedeném diagramu jsou kvadranty indikovány zelenou barvou, která indikuje stav ON zařízení bez ohledu na polaritu napájecího proudu nebo tvar vlny.

Ve výše uvedeném diagramu červená přímka označuje, že zařízení BPS jsou ve stavu VYPNUTO a nenabízí absolutně žádné vedení bez ohledu na polaritu napětí nebo tvar vlny.

Hlavní funkce, které by BPS mělo mít

  • Obousměrné přepínací zařízení musí být vysoce adaptabilní, aby umožňovalo snadné a rychlé vedení energie z obou stran, tj. Napříč A do B a B do A.
  • Při použití v DC aplikaci musí BPS vykazovat minimální stavový odpor (Ron) pro lepší regulaci napětí zátěže.
  • Systém BPS musí být vybaven správnými ochrannými obvody, aby vydržely náhlý náběhový proud během změny polarity nebo při relativně vysoké okolní teplotě.

Konstrukce obousměrného spínače

Obousměrný přepínač je konstruován propojením MOSFETů nebo IGBT zády k sobě v sérii, jak je znázorněno na následujících obrázcích.

Zde můžeme být svědky tří základních metod, pomocí kterých lze konfigurovat obousměrný přepínač.

V prvním diagramu jsou konfigurovány dva MOSFETy s kanálem P, jejichž zdroje jsou navzájem propojeny zády k sobě.

Ve druhém diagramu lze vidět dva M-kanály N-kanálu MOSFET připojené napříč jejich zdroji pro implementaci návrhu BPS.

Ve třetí konfiguraci jsou zobrazeny dva N-kanálové MOSFETy připojené odtok k odtoku pro provádění zamýšleného obousměrného vedení.

Základní funkční podrobnosti

Vezměme si příklad druhé konfigurace, ve které jsou MOSFETy spojeny se svými zdroji zády k sobě, představme si, že kladné napětí je aplikováno z „A“ a záporné na „B“, jak je znázorněno níže:

V tomto případě vidíme, že když je použito hradlové napětí, může proud z „A“ protékat levým MOSFET, poté vnitřní dopředně předepnutou diodou D2 pravé strany MOSFET a nakonec se vedení dokončí v bodě „B '.

Když je polarita napětí obrácena z „B“ na „A“, MOSFETy a jejich vnitřní diody otočí své polohy, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

Ve výše uvedené situaci se zapne MOSFET na pravé straně BPS spolu s D1, což je vnitřní dioda těla MOSFET na levé straně, aby se umožnilo vedení z „B“ do „A“.

Výroba diskrétních obousměrných přepínačů

Nyní se naučíme, jak lze obousměrný přepínač sestavit pomocí diskrétních komponent pro zamýšlenou obousměrnou přepínací aplikaci.

Následující diagram ukazuje základní implementaci BPS pomocí MOSFETů s kanálem P:

Používání P-kanálových MOSFETů

Obojsměrný přepínací obvod využívající p-kanálové MOSFETy

Když je bod „A“ kladný, dioda těla na levé straně je předpjatá dopředu a vede, následovaná pravou stranou p-MOSFET, aby dokončila vedení v bodě „B“.

Když je bod „B“ kladný, aktivují se pro vedení příslušné součásti na opačné straně.

Dolní N-kanálový MOSFET řídí stavy ON / OFF zařízení BPS pomocí příslušných příkazů brány ON / OFF.

Rezistor a kondenzátor chrání zařízení BPS před možným rázovým proudem.

Použití MOSFETu s kanálem P však nikdy není ideálním způsobem implementace BPS kvůli jejich vysokému RDSon . Proto mohou vyžadovat větší a nákladnější zařízení pro kompenzaci tepla a dalších souvisejících neefektivností, ve srovnání s designem BPS založeným na N-kanálu.

Používání N-kanálových MOSFETů

V dalším návrhu vidíme ideální způsob implementace obvodu BPS pomocí N-kanálových MOSFETů.

V tomto diskrétním obousměrném přepínacím obvodu se používají MOSFETy připojené k sobě navzájem připojenými N-kanály. Tato metoda vyžaduje externí obvod ovladače pro usnadnění obousměrného vedení energie z A do B a zpětně.

Schottkyho diody BA159 se používají k multiplexování napájení z A a B k aktivaci obvodu nabíjecího čerpadla, takže nabíjecí čerpadlo je schopné generovat potřebné množství zapínacího napětí pro N-kanálové MOSFETy.

Plnicí čerpadlo lze postavit pomocí standardu obvod zdvojovače napětí nebo malý zesílení přepínání obvod.

3,3 V se používá pro optimální napájení nabíjecího čerpadla, zatímco Schottkyho diody odvozují hradlové napětí přímo z příslušného vstupu (A / B), i když je vstupní napájení nízké až 6 V. Toto 6 V se pak zdvojnásobí nabíjejte UMP pro brány MOSFET.

Dolní N-kanálový MOSFET slouží k ovládání zapnutí / vypnutí obousměrného přepínače podle požadovaných specifikací.

Jedinou nevýhodou použití N-kanálového MOSFET ve srovnání s dříve diskutovaným P-kanálem jsou tyto další komponenty, které mohou zabírat více místa na PCB. Tato nevýhoda je však vyvážena nízkým R (on) MOSFET a vysoce účinným vedením a nízkými náklady na malé MOSFETy.

To znamená, že tento design také neposkytuje žádnou účinnou ochranu proti přehřátí, a proto lze u aplikací s vysokým výkonem uvažovat o nadměrně velkých zařízeních.

Závěr

Obousměrný přepínač lze snadno sestavit pomocí dvojice připojených MOSFETů. Tyto přepínače lze implementovat pro mnoho různých aplikací, které vyžadují obousměrné přepínání zátěže, například ze zdroje střídavého proudu.

Reference:

TPS2595xx, 2,7 V až 18 V, 4 A, 34 mΩ eFuse s datovým listem rychlé přepěťové ochrany

Nástroj pro výpočet návrhu TPS2595xx

Zařízení s elektronickou pojistkou




Předchozí: Srovnávací obvody využívající IC 741, IC 311, IC 339 Další: Usměrnění diody: Půlvlna, Plná vlna, PIV