Dwukierunkowy przełącznik

W tym poście dowiadujemy się o dwukierunkowych przełącznikach mocy MOSFET, które mogą być używane do dwukierunkowej obsługi obciążenia w dwóch punktach. Odbywa się to po prostu przez podłączenie dwóch tranzystorów MOSFET z kanałem N lub kanałem P szeregowo z określoną linią napięciową.

Co to jest przełącznik dwukierunkowy

Dwukierunkowy wyłącznik zasilania (BPS) to aktywne urządzenie zbudowane przy użyciu Tranzystory MOSFET lub IGBT , który umożliwia dwukierunkowy dwukierunkowy przepływ prądu po włączeniu zasilania i blokuje dwukierunkowy przepływ napięcia po wyłączeniu.

Ponieważ może działać w obu kierunkach, dwukierunkowy przełącznik można porównać i symbolizować jako normalny Przełącznik włącz / wyłącz jak pokazano niżej:

Tutaj widzimy, że dodatnie napięcie jest przykładane w punkcie „A” przełącznika, a ujemny potencjał w punkcie „B”, co umożliwia przepływ prądu przez „A” do „B”. Działanie można odwrócić, po prostu zmieniając polaryzację napięcia. Oznacza to, że punkty „A” i „B” BPS mogą być używane jako wymienne zaciski wejścia / wyjścia.

Najlepszy przykład zastosowania BPS można zobaczyć we wszystkich reklamach opartych na MOSFET Projekty SSR .

Charakterystyka

W Elektronika mocy Charakterystyka przełącznika dwukierunkowego (BPS) jest definiowana jako czterokwadrantowy przełącznik mający zdolność przewodzenia dodatniego lub ujemnego prądu w stanie włączenia, a także blokowania dodatniego lub ujemnego prądu w stanie wyłączenia. Poniżej przedstawiono czterokwadrantowy diagram WŁ / WYŁ dla ŹZA.

Na powyższym wykresie kwadranty zaznaczono kolorem zielonym, co wskazuje na stan WŁĄCZENIA urządzeń niezależnie od polaryzacji prądu zasilającego czy przebiegu.

Na powyższym schemacie czerwona linia prosta wskazuje, że BPS są w stanie WYŁĄCZENIA i nie oferują absolutnie żadnego przewodzenia, niezależnie od biegunowości napięcia lub kształtu fali.

Główne cechy, które powinien mieć BPS

• Dwukierunkowe urządzenie przełączające musi mieć dużą zdolność adaptacji, aby umożliwić łatwe i szybkie przewodzenie mocy z obu stron, to znaczy w poprzek A do B i B do A.
• W przypadku stosowania w aplikacji prądu stałego ŹZA musi wykazywać minimalną rezystancję stanu (Ron), aby zapewnić lepszą regulację napięcia obciążenia.
• System BPS musi być wyposażony w odpowiednie obwody ochronne, aby wytrzymać nagły prąd udarowy podczas zmiany polaryzacji lub w warunkach stosunkowo wysokiej temperatury otoczenia.

Dwukierunkowa konstrukcja przełącznika

Dwukierunkowy przełącznik jest konstruowany przez połączenie tranzystorów MOSFET lub IGBT szeregowo, jak pokazano na poniższych rysunkach.

Tutaj możemy zobaczyć trzy podstawowe metody, za pomocą których można skonfigurować przełącznik dwukierunkowy.

Na pierwszym schemacie dwa tranzystory MOSFET z kanałem P są skonfigurowane ze źródłami połączonymi plecami do siebie.

Na drugim schemacie można zobaczyć dwa N-kanałowe tranzystory MOSFET połączone między źródłami w celu wdrożenia projektu BPS.

W trzeciej konfiguracji pokazano dwa N-kanałowe tranzystory MOSFET podłączone do drenu w celu wykonania zamierzonego dwukierunkowego przewodzenia.

Podstawowe szczegóły funkcjonowania

Weźmy przykład drugiej konfiguracji, w której tranzystory MOSFET są połączone ze źródłami z powrotem do tyłu, wyobraźmy sobie, że dodatnie napięcie jest przykładane od „A”, a ujemne do „B”, jak pokazano poniżej:

W tym przypadku widzimy, że po przyłożeniu napięcia bramki prąd z `` A '' może przepływać przez lewy tranzystor MOSFET, a następnie przez wewnętrzną diodę spolaryzowaną do przodu D2 prawego tranzystora MOSFET, a na koniec przewodzenie kończy się w punkcie `` B '' ”.

Gdy polaryzacja napięcia zostanie odwrócona z „B” na „A”, tranzystory MOSFET i ich wewnętrzne diody zmieniają swoje położenie, jak pokazano na poniższej ilustracji:

W powyższej sytuacji włącza się MOSFET po prawej stronie BPS wraz z diodą D1, która jest wewnętrzną diodą korpusu MOSFET po lewej stronie, aby umożliwić przewodzenie z „B” do „A”.

Tworzenie dyskretnych przełączników dwukierunkowych

Teraz dowiedzmy się, jak można zbudować przełącznik dwukierunkowy przy użyciu dyskretnych komponentów dla zamierzonej aplikacji przełączania dwukierunkowego.

Poniższy diagram przedstawia podstawową implementację BPS przy użyciu tranzystorów MOSFET z kanałem P:

Korzystanie z tranzystorów MOSFET z kanałem P.

Gdy punkt „A” jest dodatni, dioda korpusu po lewej stronie jest spolaryzowana do przodu i przewodzi, a następnie p-MOSFET po prawej stronie, aby zakończyć przewodzenie w punkcie „B”.

Kiedy punkt „B” jest dodatni, odpowiednie składniki po przeciwnej stronie stają się aktywne dla przewodzenia.

Niższy tranzystor MOSFET z kanałem N steruje stanami WŁ. / WYŁ. Urządzenia BPS poprzez odpowiednie polecenia bramki WŁ. / WYŁ.

Rezystor i kondensator chronią BPS przed możliwym skokiem prądu udarowego.

Jednak użycie tranzystora MOSFET z kanałem P nigdy nie jest idealnym sposobem implementacji BPS ze względu na ich wysoki RDSon . Dlatego mogą one wymagać większych i droższych urządzeń do kompensacji ciepła i innych powiązanych nieefektywności w porównaniu do konstrukcji BPS opartych na kanale N.

Korzystanie z tranzystorów MOSFET z kanałem N.

W następnym projekcie widzimy idealny sposób implementacji obwodu BPS przy użyciu N-kanałowych tranzystorów MOSFET.

W tym dyskretnym obwodzie przełącznika dwukierunkowego zastosowano tranzystory MOSFET typu N-chanel połączone z powrotem do tyłu. Ta metoda wymaga zewnętrznego obwodu sterownika ułatwiającego dwukierunkowe przewodzenie mocy z A do B i odwrotnie.

Diody Schottky'ego BA159 są używane do multipleksowania zasilania z A i B w celu aktywowania obwodu pompy ładunkowej, tak aby pompa ładująca była w stanie wygenerować niezbędną ilość napięcia włączenia dla tranzystorów MOSFET z kanałem N.

Pompa ładująca może być zbudowana przy użyciu standardu obwód podwajacza napięcia lub mały przełączanie doładowania obwód.

3,3 V jest stosowane do optymalnego zasilania pompy ładującej, podczas gdy diody Schottky'ego pobierają napięcie bramki bezpośrednio z odpowiedniego wejścia (A / B), nawet jeśli napięcie wejściowe jest tak niskie, jak 6 V.To 6 V jest następnie podwajane przez opłata ump za bramki MOSFET.

Dolny N-kanałowy tranzystor MOSFET służy do sterowania włączaniem / wyłączaniem przełącznika dwukierunkowego zgodnie z wymaganymi specyfikacjami.

Jedyną wadą korzystania z N-kanałowego MOSFET-u w porównaniu z wcześniej omawianym kanałem P są te dodatkowe elementy, które mogą zajmować dodatkowe miejsce na PCB. Jednak tę wadę przeważa niska wartość R (on) tranzystorów MOSFET i wysoce wydajne przewodzenie oraz niskie koszty małych tranzystorów MOSFET.

To powiedziawszy, ta konstrukcja również nie zapewnia żadnej skutecznej ochrony przed przegrzaniem, dlatego też można rozważyć przewymiarowane urządzenia do zastosowań o dużej mocy.

Wniosek

Dwukierunkowy przełącznik można dość łatwo zbudować za pomocą kilku połączonych z tyłu tranzystorów MOSFET. Przełączniki te można zaimplementować do wielu różnych aplikacji, które wymagają dwukierunkowego przełączania obciążenia, np. Ze źródła prądu przemiennego.

Bibliografia:

TPS2595xx, 2,7 V do 18 V, 4-A, 34-mΩ eFuse z szybkim zabezpieczeniem przeciwprzepięciowym Arkusz danych

Narzędzie do obliczania projektu TPS2595xx

Bezpieczniki typu E