Dvosmerno stikalo

V tej objavi izvemo o dvosmernih močnostnih stikalih MOSFET, ki jih lahko uporabimo za dvosmerno upravljanje obremenitve na dveh točkah. To preprosto naredimo tako, da dva zaporedna zaporedoma povežemo dva N-kanalna ali P-kanalna MOSFET-a z določeno napetostjo.

Kaj je dvosmerno stikalo

Dvosmerno stikalo za vklop (BPS) je aktivna naprava, izdelana z uporabo MOSFET-ji ali IGBT-ji , ki omogoča dvosmerni dvosmerni tok toka, ko je VKLOPLJEN, in blokira dvosmerni tok napetosti, ko je IZKLOPLJEN.

Ker lahko deluje v obe smeri, lahko dvosmerno stikalo primerjamo in simboliziramo kot običajno Stikalo za vklop / izklop kot je prikazano spodaj:

Tu lahko vidimo pozitivno napetost, ki deluje na točko 'A' stikala, negativni potencial pa na točko 'B', ki omogoča pretok toka čez 'A' do 'B'. Dejanje je mogoče obrniti s preprosto spremembo polaritete napetosti. To pomeni, da se točki „A“ in „B“ BPS lahko uporabljata kot zamenljivi vhodno-izhodni terminali.

Najboljši primer uporabe BPS lahko vidite v vseh reklamah, ki temeljijo na MOSFET-u Zasnova SSR .

Značilnosti

V Močnostna elektronika , značilnosti dvosmernega stikala (BPS) so opredeljene kot stikalo s štirimi kvadranti, ki ima zmožnost vodenja pozitivnega ali negativnega toka v stanju vklopljenega in blokiranje pozitivnega ali negativnega toka v stanju izklopa. Diagram vklopa / izklopa s štirimi kvadranti za BPS je prikazan spodaj.

V zgornjem diagramu so kvadranti označeni z zeleno barvo, ki označuje stanje vklopa naprav ne glede na polarnost napajalnega toka ali valovno obliko.

V zgornjem diagramu rdeča ravna črta označuje, da so naprave BPS v izklopljenem stanju in ne nudijo popolnoma nobene prevodnosti, ne glede na polarnost napetosti ali valovne oblike.

Glavne lastnosti, ki jih mora imeti BPS

• Dvosmerna stikalna naprava mora biti zelo prilagodljiva, da omogoča enostavno in hitro prevajanje moči z obeh strani, to je čez A do B in B do A.
• Če se BPS uporablja pri enosmerni uporabi, mora imeti najmanjšo odpornost na stanje (Ron) za izboljšano regulacijo napetosti obremenitve.
• Sistem BPS mora biti opremljen z ustreznim zaščitnim vezjem, da vzdrži nenaden hitri tok med spremembo polarnosti ali pri razmeroma visokih temperaturah okolice.

Konstrukcija dvosmernega stikala

Dvosmerno stikalo je zgrajeno tako, da se MOSFET-ovi ali IGBT-ji zaporedoma povežejo zaporedno, kot je prikazano na naslednjih slikah.

Tu smo lahko priča trem temeljnim metodam, s pomočjo katerih je mogoče konfigurirati dvosmerno stikalo.

V prvem diagramu sta dva P-kanalna MOSFET-a konfigurirana tako, da sta njihova vira med seboj povezana.

V drugem diagramu je mogoče videti dva N-kanalna MOSFET-a, ki sta povezana prek svojih virov za izvedbo zasnove BPS.

V tretji konfiguraciji sta prikazana dva N-kanalna MOSFET-a, pritrjena na odtok za izvedbo predvidene dvosmerne prevodnosti.

Osnovne podrobnosti o delovanju

Vzemimo primer druge konfiguracije, v kateri so MOSFET-ji združeni z njihovimi viri nazaj, predstavljajmo si, da pozitivna napetost deluje od 'A', negativna pa do 'B', kot je prikazano spodaj:

V tem primeru lahko vidimo, da se pri uporabi napetosti vrat tok iz 'A' pretaka skozi levi MOSFET, nato skozi notranjo prednapeto diodo D2 desnega MOSFET-a in na koncu prevodnost zaključi v točki 'B '.

Ko je napetost polarnosti obrnjena z 'B' na 'A, MOSFET-ji in njihove notranje diode obrnejo svoje položaje, kot je prikazano na naslednji sliki:

V zgornjem primeru se desni MOSFET BPS-ja vklopi skupaj z D1, ki je notranja dioda telesa levega MOSFET-a, da se omogoči prevod od 'B' do 'A'.

Izdelava diskretnih dvosmernih stikal

Zdaj pa se naučimo, kako lahko dvosmerno stikalo zgradimo z uporabo ločenih komponent za predvideno dvosmerno preklopno aplikacijo.

Naslednji diagram prikazuje osnovno izvedbo BPS z uporabo P-kanalnih MOSFET-jev:

Uporaba P-Channel MOSFETS

Ko je točka 'A' pozitivna, se dioda levega telesa premakne naprej in vodi, ki ji sledi desna stran p-MOSFET, da zaključi prevod v točki 'B'.

Ko je točka „B“ pozitivna, postanejo za prevodnost aktivne nasprotne strani.

Spodnji N-kanalni MOSFET nadzoruje stanja vklopa / izklopa naprave BPS z ustreznimi ukazi za vklop / izklop vrat.

Upor in kondenzator ščitita naprave BPS pred morebitnim prenapetostnim tokom.

Vendar uporaba MOSFET-a s P-kanalom nikoli ni idealen način za izvajanje BPS zaradi visokega RDSona . Zato bodo v primerjavi z zasnovo BPS na osnovi N-kanala morda potrebne večje in dražje naprave za kompenzacijo toplote in drugih s tem povezanih neučinkovitosti.

Uporaba N-kanalnih MOSFET-ov

V naslednji zasnovi vidimo idealen način za izvedbo BPS vezja z uporabo N-kanalnih MOSFET-jev.

V tem diskretnem dvosmernem stikalnem vezju se uporabljajo MOSFET-ji N-chanel, povezani nazaj. Ta metoda zahteva zunanje vezje gonilnika za olajšanje dvosmerne prevodnosti moči od A do B in obratno.

Schottkyjeve diode BA159 se uporabljajo za multipleksiranje dovodov iz A in B za aktiviranje vezja polnilne črpalke, tako da polnilna črpalka lahko ustvari potrebno količino vklopne napetosti za N-kanalne MOSFET-ove.

Polnilno črpalko lahko zgradimo s standardom vezje dvojnega napetosti ali majhen boost preklapljanje vezje.

3,3 V se uporablja za optimalno napajanje polnilne črpalke, medtem ko Schottkyjeve diode črpajo napetost vrat neposredno iz ustreznega vhoda (A / B), tudi če je vhodna napetost tako nizka kot 6 V. Ta 6 V se nato podvoji s doplačilo za vrata MOSFET.

Spodnji N-kanalni MOSFET je namenjen krmiljenju vklopa / izklopa dvosmernega stikala v skladu z želenimi specifikacijami.

Edina pomanjkljivost uporabe N-kanalnega MOSFET-a v primerjavi s predhodno obravnavanim P-kanalom so te dodatne komponente, ki lahko zavzamejo dodaten prostor na PCB-ju. Vendar pa to pomanjkljivost odtehtajo nizki R (vklopljeni) MOSFET-jev in visoko učinkovita prevodnost ter poceni majhni MOSFET-ji.

Kljub temu ta zasnova tudi ne zagotavlja nobene učinkovite zaščite pred pregrevanjem, zato se lahko prevelike naprave štejejo za aplikacije z visoko močjo.

Zaključek

Dvosmerno stikalo je mogoče enostavno zgraditi z uporabo MOSFET-jev povezanih med seboj. Ta stikala je mogoče uporabiti za številne različne aplikacije, ki zahtevajo dvosmerno preklapljanje bremena, na primer iz AC vira.

Reference:

TPS2595xx, 2,7 V do 18 V, 4-A, 34-mΩ e varovalka s podatkovnim listom za hitro zaščito pred prenapetostjo

Orodje za izračun oblikovanja TPS2595xx

Naprave z e-varovalkami