Bidirectionele schakelaar

Probeer Ons Instrument Voor Het Oplossen Van Problemen





In dit bericht leren we over MOSFET bidirectionele stroomschakelaars, die kunnen worden gebruikt om een ​​belasting over twee punten bidirectioneel te laten werken. Dit wordt eenvoudig gedaan door twee N-kanaals of P-kanaal MOSFET's rug aan rug in serie met de gespecificeerde spanningslijn te verbinden.

Wat is een bidirectionele schakelaar

Een bidirectionele stroomschakelaar (BPS) is een actief apparaat dat is gebouwd met MOSFET's of IGBT's , die een bidirectionele stroom in twee richtingen mogelijk maakt wanneer deze is ingeschakeld, en een bidirectionele stroom van spanning blokkeert wanneer deze is uitgeschakeld.



Omdat het in beide richtingen kan geleiden, kan een bidirectionele schakelaar worden vergeleken en gesymboliseerd als een normaal Aan / uit knop zoals hieronder weergegeven:

Hier kunnen we zien dat er een positieve spanning wordt aangelegd op punt 'A' van de schakelaar en een negatief potentiaal wordt toegepast op punt 'B', waardoor de stroom over 'A' naar 'B' kan stromen. De actie kan worden omgekeerd door simpelweg de polariteit van de spanning te veranderen. Dit betekent dat de punten 'A' en 'B' van het BPS kunnen worden gebruikt als verwisselbare ingangs- / uitgangsklemmen.



Het beste toepassingsvoorbeeld van een BPS is te zien in alle op MOSFET gebaseerde commercials SSR-ontwerpen

Kenmerken

In Vermogenselektronica worden de kenmerken van een bidirectionele schakelaar (BPS) gedefinieerd als een vierkwadrantenschakelaar die in de AAN-toestand positieve of negatieve stroom kan geleiden en ook positieve of negatieve stroom in UIT-toestand kan blokkeren. Het vierkwadrant AAN / UIT-diagram voor een BPS wordt hieronder weergegeven.

In het bovenstaande diagram zijn de kwadranten aangegeven in een groene kleur, wat de AAN-toestand van de apparaten aangeeft, ongeacht de polariteit van de voedingsstroom of de golfvorm.

In het bovenstaande diagram geeft de rode rechte lijn aan dat de BPS-apparaten UIT staan ​​en absoluut geen geleiding bieden, ongeacht de polariteit van de spanning of de golfvorm.

Belangrijkste kenmerken die een BPS zou moeten hebben

  • Een bidirectionele schakelaar moet in hoge mate aanpasbaar zijn om gemakkelijke en snelle stroomgeleiding van beide kanten mogelijk te maken, dat wil zeggen over A naar B en B naar A.
  • Bij gebruik in gelijkstroomtoepassingen moet een BPS een minimum aan toestandsweerstand (Ron) vertonen voor een betere spanningsregeling van de belasting.
  • Een BPS-systeem moet zijn uitgerust met de juiste beveiligingscircuits om een ​​plotselinge piekstroom tijdens een polariteitsverandering of bij relatief hoge omgevingstemperaturen te weerstaan.

Bidirectionele schakelaarconstructie

Een bidirectionele schakelaar wordt geconstrueerd door MOSFET's of IGBT's rug aan rug in serie aan te sluiten, zoals weergegeven in de volgende afbeeldingen.

Hier kunnen we getuige zijn van drie fundamentele methoden waarmee een bidirectionele schakelaar kan worden geconfigureerd.

In het eerste diagram zijn twee P-kanaal MOSFET's geconfigureerd met hun bronnen rug aan rug met elkaar verbonden.

In het tweede diagram zijn twee N-kanaal MOSFETS te zien die zijn verbonden over hun bronnen voor het implementeren van een BPS-ontwerp.

In de derde configuratie worden twee N-kanaals MOSFET's getoond die van afvoer naar afvoer zijn bevestigd voor het uitvoeren van de beoogde bidirectionele geleiding.

Basis functioneringsdetails

Laten we het voorbeeld nemen van de tweede configuratie, waarin de MOSFET's met hun bronnen rug aan rug zijn verbonden, laten we ons voorstellen dat positieve spanning wordt aangelegd van 'A' en negatief naar 'B', zoals hieronder wordt weergegeven:

In dit geval kunnen we zien dat wanneer de poortspanning wordt aangelegd, stroom van 'A' door de linker MOSFET mag stromen, vervolgens door de interne voorwaarts voorgespannen diode D2 van de rechter MOSFET, en ten slotte is de geleiding voltooid op punt 'B '.

Wanneer de spanningspolariteit wordt omgekeerd van 'B' naar 'A', draaien de MOSFET's en hun interne diodes hun posities om zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

In de bovenstaande situatie wordt de rechter MOSFET van de BPS ingeschakeld samen met D1, de interne lichaamsdiode van de linker MOSFET, om de geleiding van 'B' naar 'A' mogelijk te maken.

Discrete bidirectionele schakelaars maken

Laten we nu eens kijken hoe een bidirectionele schakelaar kan worden gebouwd met behulp van discrete componenten voor een beoogde tweerichtingsschakeltoepassing.

Het volgende diagram toont de basis BPS-implementatie met behulp van P-kanaal MOSFET's:

P-Channel MOSFETS gebruiken

Bidirectioneel schakelcircuit met behulp van p-kanaal MOSFET

Wanneer punt 'A' positief is, wordt de diode aan de linkerkant van het lichaam voorgespannen en geleidt, gevolgd door de p-MOSFET aan de rechterkant, om de geleiding op punt 'B' te voltooien.

Wanneer punt 'B' positief is, worden de tegenoverliggende respectievelijke componenten actief voor de geleiding.

De onderste N-kanaal MOSFET bestuurt de AAN / UIT-toestanden van het BPS-apparaat via geschikte AAN / UIT-poortopdrachten.

De weerstand en de condensator beschermen de BPS-apparaten tegen een mogelijke piekstroom.

Het gebruik van P-channel MOSFET is echter nooit de ideale manier om een ​​BPS te implementeren vanwege hun hoge RDSon ​Daarom kunnen hiervoor grotere en duurdere apparaten nodig zijn om te compenseren voor hitte en andere gerelateerde inefficiënties, in vergelijking met op N-kanaals gebaseerd BPS-ontwerp.

N-Channel MOSFETS gebruiken

In het volgende ontwerp zien we een ideale manier om een ​​BPS-circuit te implementeren met behulp van N-kanaal MOSFET's.

In dit discrete bidirectionele schakelcircuit worden back-to-back verbonden N-chanel MOSFET's gebruikt. Deze methode vereist een extern stuurcircuit om de tweewegstroomgeleiding van A naar B en omgekeerd te vergemakkelijken.

De Schottky-diodes BA159 worden gebruikt om de voedingen van A en B te multiplexen om het ladingspompcircuit te activeren, zodat de ladingspomp de benodigde hoeveelheid inschakelspanning voor de N-kanaal MOSFET's kan genereren.

De laadpomp zou met een standaard kunnen worden gebouwd spanningsverdubbelaar circuit of een kleine boost schakelen circuit.

De 3,3 V wordt toegepast om de ladingspomp optimaal van stroom te voorzien, terwijl de Schottky-diodes de poortspanning rechtstreeks afleiden van de respectieve ingang (A / B), zelfs als de ingangsspanning zo laag is als 6 V. Deze 6 V wordt dan verdubbeld door de charge ump voor de MOSFET-poorten.

De onderste N-kanaals MOSFET is voor het regelen van de AAN / UIT-schakeling van de bidirectionele schakelaar volgens de gewenste specificaties.

Het enige nadeel van het gebruik van een N-kanaal MOSFET ten opzichte van het eerder besproken P-kanaal zijn deze extra componenten die mogelijk extra ruimte op de printplaat in beslag nemen. Dit nadeel wordt echter gecompenseerd door de lage R (on) van de MOSFET's en zeer efficiënte geleiding, en goedkope MOSFET's van klein formaat.

Dat gezegd hebbende, biedt dit ontwerp ook geen effectieve bescherming tegen oververhitting, en daarom kunnen te grote apparaten worden overwogen voor toepassingen met een hoog vermogen.

Gevolgtrekking

Een bidirectionele schakelaar kan vrij eenvoudig worden gebouwd met behulp van een paar rug aan rug verbonden MOSFET's. Deze schakelaars kunnen worden geïmplementeerd voor veel verschillende toepassingen die een bidirectionele omschakeling van de belasting vereisen, bijvoorbeeld vanaf een wisselstroombron.

Referenties:

TPS2595xx, 2,7 V tot 18 V, 4-A, 34 mΩ eFuse met gegevensblad voor snelle overspanningsbeveiliging

TPS2595xx Ontwerpberekeningstool

E-zekering apparaten




Vorige: Comparatorcircuits met IC 741, IC 311, IC 339 Volgende: Diode-rectificatie: halve golf, volledige golf, PIV