Διπλής κατεύθυνσης διακόπτης

Σε αυτήν την ανάρτηση μαθαίνουμε για MOSFET αμφίδρομους διακόπτες ισχύος, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη λειτουργία φορτίου σε δύο σημεία αμφίδρομα. Αυτό γίνεται απλά με τη σύνδεση δύο καναλιών N, ή P-channel MOSFET σε σειρά με την καθορισμένη γραμμή τάσης.

Τι είναι ένας αμφίδρομος διακόπτης

Ένας αμφίδρομος διακόπτης ισχύος (BPS) είναι μια ενεργή συσκευή που κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας MOSFET ή IGBT , η οποία επιτρέπει αμφίδρομη ροή ρεύματος όταν είναι ενεργοποιημένη και εμποδίζει αμφίδρομη ροή τάσης όταν είναι απενεργοποιημένη.

Δεδομένου ότι είναι σε θέση να συμπεριφέρεται και με τους δύο τρόπους, ένας αμφίδρομος διακόπτης μπορεί να συγκριθεί και να συμβολιστεί ως κανονικό Διακόπτης έναρξης / λήξης όπως φαίνεται παρακάτω:

Εδώ, μπορούμε να δούμε μια θετική τάση να εφαρμόζεται στο σημείο «A» του διακόπτη και ένα αρνητικό δυναμικό εφαρμόζεται στο σημείο «B», το οποίο επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει πέρα ​​από το «A» στο «B». Η δράση μπορεί να αντιστραφεί αλλάζοντας απλώς την πολικότητα τάσης. Δηλαδή, τα σημεία «A» και «B» του BPS μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εναλλάξιμα τερματικά εισόδου / εξόδου.

Το καλύτερο παράδειγμα εφαρμογής ενός BPS μπορεί να δει σε όλα τα διαφημιστικά που βασίζονται στο MOSFET Σχέδια SSR .

Χαρακτηριστικά

Σε Ηλεκτρονικά ισχύος , τα χαρακτηριστικά ενός αμφίδρομου διακόπτη (BPS) ορίζεται ως ένας διακόπτης τεσσάρων τεταρτημορίων που έχει την ικανότητα να αγωγεί θετικό ή αρνητικό ρεύμα στην κατάσταση ON και επίσης να αποκλείει θετικό ή αρνητικό ρεύμα σε κατάσταση OFF. Το διάγραμμα τεσσάρων τεταρτημορίων ON / OFF για BPS φαίνεται παρακάτω.

Στο παραπάνω διάγραμμα, τα τεταρτημόρια δείχνονται σε πράσινο χρώμα που δείχνει την κατάσταση ON των συσκευών ανεξάρτητα από την πολικότητα του ρεύματος τροφοδοσίας ή της κυματομορφής.

Στο παραπάνω διάγραμμα, η κόκκινη ευθεία γραμμή δείχνει ότι οι συσκευές BPS βρίσκονται σε κατάσταση OFF και δεν προσφέρουν απολύτως καμία αγωγή ανεξάρτητα από την πολικότητα της τάσης ή της κυματομορφής.

Κύρια χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένα BPS

• Μια αμφίδρομη συσκευή διακόπτη πρέπει να είναι εξαιρετικά προσαρμόσιμη ώστε να επιτρέπει την εύκολη και γρήγορη αγωγιμότητα ισχύος και από τις δύο πλευρές, δηλαδή απέναντι από Α έως Β και Β έως Α.
• Όταν χρησιμοποιείται σε εφαρμογή DC, ένα BPS πρέπει να εμφανίζει ελάχιστη αντίσταση κατάστασης (Ron) για βελτιωμένη ρύθμιση τάσης του φορτίου.
• Ένα σύστημα BPS πρέπει να είναι εφοδιασμένο με κατάλληλα κυκλώματα προστασίας για να αντέχει ξαφνικά σε ρεύμα αιχμής κατά τη διάρκεια μιας αλλαγής πολικότητας ή σε σχετικά υψηλές συνθήκες θερμοκρασίας περιβάλλοντος.

Κατασκευή διακόπτη διπλής κατεύθυνσης

Ένας αμφίδρομος διακόπτης κατασκευάζεται με σύνδεση MOSFET ή IGBTs πλάτη-πλάτη σε σειρά, όπως φαίνεται στα παρακάτω σχήματα.

Εδώ, μπορούμε να δούμε τρεις βασικές μεθόδους μέσω των οποίων μπορεί να ρυθμιστεί ένας αμφίδρομος διακόπτης.

Στο πρώτο διάγραμμα, διαμορφώνονται δύο MOSFET καναλιών P με τις πηγές τους να συνδέονται μεταξύ τους μεταξύ τους.

Στο δεύτερο διάγραμμα, δύο N-channel MOSFETS φαίνονται συνδεδεμένα μεταξύ των πηγών τους για την εφαρμογή ενός σχεδίου BPS.

Στην τρίτη διαμόρφωση, δύο N-channel MOSFETs εμφανίζονται συνδεδεμένα αποστράγγιση σε αποστράγγιση για την εκτέλεση της προβλεπόμενης αμφίδρομης αγωγής.

Βασικές λειτουργικές λεπτομέρειες

Ας πάρουμε το παράδειγμα της δεύτερης διαμόρφωσης, στην οποία οι MOSFET συνδέονται με τις πηγές τους πλάτη με πλάτη, ας υποθέσουμε ότι εφαρμόζεται θετική τάση από το «A» και αρνητική στο «B», όπως φαίνεται παρακάτω:

Σε αυτήν την περίπτωση μπορούμε να δούμε ότι όταν εφαρμόζεται η τάση πύλης, το ρεύμα από το «Α» αφήνεται να ρέει μέσω του αριστερού MOSFET, στη συνέχεια μέσω της εσωτερικής μεροληπτικής διόδου D2 της δεξιάς πλευράς MOSFET, και τελικά η αγωγιμότητα ολοκληρώνεται στο σημείο «B '.

Όταν η πολικότητα τάσης αντιστρέφεται από 'B' σε 'A', τα MOSFET και οι εσωτερικές δίοδοί τους αναστρέφουν τις θέσεις τους όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα:

Στην παραπάνω περίπτωση, το MOSFET της δεξιάς πλευράς του BPS ανάβει μαζί με το D1 που είναι η εσωτερική δίοδος σώματος της αριστερής πλευράς MOSFET, για να επιτρέψει την αγωγή από το «B» στο «A».

Δημιουργία Διακριτών Αμφίδρομων Διακόπτων

Τώρα ας μάθουμε πώς μπορεί να δημιουργηθεί ένας αμφίδρομος διακόπτης χρησιμοποιώντας διακριτά στοιχεία για μια προοριζόμενη αμφίδρομη εφαρμογή εναλλαγής.

Το ακόλουθο διάγραμμα δείχνει τη βασική υλοποίηση BPS χρησιμοποιώντας MOSFET καναλιού P:

Χρήση P-Channel MOSFETS

Όταν το σημείο «Α» είναι θετικό, η δίοδος του σώματος της αριστερής πλευράς προωθείται προς τα εμπρός και συμπεριφέρεται, ακολουθούμενη από τη δεξιά πλευρά p-MOSFET, για να ολοκληρώσει την αγωγή στο σημείο «Β».

Όταν το σημείο «Β» είναι θετικό, τα αντίστοιχα εξαρτήματα της αντίθετης πλευράς ενεργοποιούνται για την αγωγή.

Το κάτω N-channel MOSFET ελέγχει τις καταστάσεις ON / OFF της συσκευής BPS μέσω των κατάλληλων εντολών πύλης ON / OFF.

Η αντίσταση και ο πυκνωτής προστατεύουν τις συσκευές BPS από πιθανή υπερχείλιση ρεύματος.

Ωστόσο, η χρήση του P-channel MOSFET δεν είναι ποτέ ο ιδανικός τρόπος για την εφαρμογή ενός BPS λόγω του υψηλού RDSon τους . Επομένως, αυτά ενδέχεται να απαιτούν μεγαλύτερες και πιο δαπανηρές συσκευές για την αντιστάθμιση της θερμότητας και άλλων σχετικών ανεπαρκειών, σε σύγκριση με το σχεδιασμό BPS που βασίζεται σε κανάλια Ν.

Χρήση N-Channel MOSFETS

Στην επόμενη σχεδίαση βλέπουμε έναν ιδανικό τρόπο υλοποίησης ενός κυκλώματος BPS χρησιμοποιώντας N-channel MOSFETs.

Σε αυτό το διακριτό κύκλωμα διακόπτη αμφίδρομης σύνδεσης, χρησιμοποιούνται MOSFET N-chanel συνδεδεμένα με πλάτη. Αυτή η μέθοδος απαιτεί ένα εξωτερικό κύκλωμα οδηγού για τη διευκόλυνση της αμφίδρομης αγωγής ισχύος από το Α στο Β και αντίστροφα.

Οι δίοδοι Schottky BA159 χρησιμοποιούνται για τον πολλαπλασιασμό των προμηθειών από τα Α και Β για την ενεργοποίηση του κυκλώματος αντλίας φόρτισης, έτσι ώστε η αντλία φόρτισης να είναι σε θέση να παράγει την απαραίτητη τάση ενεργοποίησης τάσης για τα MOSFET καναλιού Ν.

Η αντλία φόρτισης θα μπορούσε να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας ένα πρότυπο κύκλωμα διπλασιασμού τάσης ή ένα μικρό ενίσχυση εναλλαγής κύκλωμα.

Το 3,3 V εφαρμόζεται για την βέλτιστη τροφοδοσία της αντλίας φόρτισης, ενώ οι δίοδοι Schottky αντλούν την τάση πύλης απευθείας από την αντίστοιχη είσοδο (A / B) ακόμη και αν η τροφοδοσία εισόδου είναι τόσο χαμηλή όσο 6 V. Αυτό το 6 V διπλασιάζεται τότε από το χρέωση ump για τις πύλες MOSFET.

Το χαμηλότερο N-channel MOSFET προορίζεται για τον έλεγχο της εναλλαγής ON / OFF του αμφίδρομου διακόπτη σύμφωνα με τις επιθυμητές προδιαγραφές.

Το μόνο μειονέκτημα της χρήσης ενός N-channel MOSFET σε σύγκριση με το P-channel που συζητήθηκε προηγουμένως είναι αυτά τα επιπλέον στοιχεία που μπορεί να καταναλώνουν επιπλέον χώρο στο PCB. Ωστόσο, αυτό το μειονέκτημα αντισταθμίζεται από το χαμηλό R (on) των MOSFET και την πολύ αποτελεσματική αγωγιμότητα, και τα χαμηλού κόστους MOSFET μικρού μεγέθους.

Τούτου λεχθέντος, αυτός ο σχεδιασμός επίσης δεν παρέχει αποτελεσματική προστασία έναντι υπερθέρμανσης, και ως εκ τούτου οι υπερμεγέθεις συσκευές μπορούν να ληφθούν υπόψη για εφαρμογές υψηλής ισχύος.

συμπέρασμα

Ένας αμφίδρομος διακόπτης μπορεί να κατασκευαστεί πολύ εύκολα χρησιμοποιώντας συνδεδεμένα ζευγάρια MOSFET. Αυτοί οι διακόπτες μπορούν να εφαρμοστούν για πολλές διαφορετικές εφαρμογές που απαιτούν αμφίδρομη εναλλαγή του φορτίου, όπως από την πηγή AC.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

TPS2595xx, 2,7 V έως 18 V, 4-A, 34-mΩ eFuse με φύλλο δεδομένων προστασίας από υπέρταση

Εργαλείο υπολογισμού σχεδίασης TPS2595xx

Συσκευές ηλεκτρονικής ασφάλειας