Interruttore bidirezionale

Interruttore bidirezionale

In questo post apprendiamo gli interruttori di alimentazione bidirezionali MOSFET, che possono essere utilizzati per azionare un carico su due punti in modo bidirezionale. Questo viene fatto semplicemente collegando due MOSFET a canale N o a canale P in serie con la linea di tensione specificata.



Cos'è uno switch bidirezionale

Un interruttore di alimentazione bidirezionale (BPS) è un dispositivo attivo costruito utilizzando MOSFET o IGBT , che consente un flusso bidirezionale di corrente a due vie quando acceso e blocca un flusso bidirezionale di tensione quando spento.

Poiché è in grado di condurre in entrambe le direzioni, un interruttore bidirezionale può essere confrontato e simboleggiato come un normale Interruttore ON / OFF come mostrato di seguito:





Qui, possiamo vedere che una tensione positiva viene applicata al punto 'A' dell'interruttore e un potenziale negativo viene applicato al punto 'B', che consente alla corrente di fluire da 'A' a 'B'. L'azione può essere invertita semplicemente cambiando la polarità della tensione. Ciò significa che i punti 'A' e 'B' del BPS possono essere utilizzati come terminali di ingresso / uscita intercambiabili.

Il miglior esempio di applicazione di un BPS può essere visto in tutti gli spot pubblicitari basati su MOSFET Disegni SSR .



Caratteristiche

Nel Elettronica di potenza , le caratteristiche di un interruttore bidirezionale (BPS) sono definite come un interruttore a quattro quadranti con la capacità di condurre corrente positiva o negativa nello stato ON e anche bloccare la corrente positiva o negativa nello stato OFF. Di seguito è mostrato il diagramma ON / OFF a quattro quadranti per un BPS.

Nello schema sopra, i quadranti sono indicati in colore verde che indica lo stato di ON dei dispositivi indipendentemente dalla polarità della corrente di alimentazione o dalla forma d'onda.

Nel diagramma sopra, la linea retta rossa indica che i dispositivi BPS sono in stato OFF e non offre assolutamente alcuna conduzione indipendentemente dalla polarità della tensione o dalla forma d'onda.

Caratteristiche principali che un BPS dovrebbe avere

  • Un dispositivo di commutazione bidirezionale deve essere altamente adattabile per consentire una facile e rapida conduzione della potenza da entrambi i lati, cioè da A a B e da B ad A.
  • Quando viene utilizzato in applicazioni CC, un BPS deve mostrare una resistenza minima sullo stato (Ron) per una migliore regolazione della tensione del carico.
  • Un sistema BPS deve essere dotato di circuiti di protezione adeguati per resistere a correnti di spunto improvvise durante un cambio di polarità o in condizioni di temperatura ambiente relativamente elevata.

Costruzione interruttore bidirezionale

Un interruttore bidirezionale viene costruito collegando MOSFET o IGBT in serie come mostrato nelle figure seguenti.

Qui possiamo assistere a tre metodi fondamentali attraverso i quali è possibile configurare un interruttore bidirezionale.

Nel primo diagramma, due MOSFET a canale P sono configurati con le rispettive sorgenti collegate l'una all'altra.

Nel secondo diagramma, si possono vedere due MOSFET a canale N collegati attraverso le loro sorgenti per implementare un progetto BPS.

Nella terza configurazione, due MOSFET a canale N sono mostrati collegati da drenaggio a drenaggio per eseguire la conduzione bidirezionale prevista.

Dettagli sul funzionamento di base

Prendiamo l'esempio della seconda configurazione, in cui i MOSFET sono uniti con le loro sorgenti schiena contro schiena, immaginiamo che venga applicata una tensione positiva da 'A' e negativa a 'B', come mostrato di seguito:

In questo caso possiamo vedere che quando viene applicata la tensione di gate, la corrente da 'A' può fluire attraverso il MOSFET sinistro, quindi attraverso il diodo polarizzato in avanti interno D2 del MOSFET sul lato destro, e infine la conduzione completa nel punto 'B '.

Quando la polarità della tensione viene invertita da 'B' ad 'A', i MOSFET ei loro diodi interni cambiano le loro posizioni come mostrato nella figura seguente:

Nella situazione di cui sopra, il MOSFET del lato destro del BPS si accende insieme a D1 che è il diodo del body interno del MOSFET del lato sinistro, per consentire la conduzione da 'B' ad 'A'.

Realizzazione di interruttori bidirezionali discreti

Ora impariamo come creare uno switch bidirezionale utilizzando componenti discreti per un'applicazione di commutazione bidirezionale prevista.

Il diagramma seguente mostra l'implementazione BPS di base utilizzando MOSFET a canale P:

Utilizzo di MOSFET a canale P.

Circuito di commutazione bidirezionale che utilizza MOSFET a canale p

Quando il punto 'A' è positivo, il diodo del corpo del lato sinistro viene polarizzato in avanti e conduce, seguito dal p-MOSFET del lato destro, per completare la conduzione nel punto 'B'.

Quando il punto 'B' è positivo, i rispettivi componenti del lato opposto diventano attivi per la conduzione.

Il MOSFET a canale N inferiore controlla gli stati ON / OFF del dispositivo BPS tramite opportuni comandi di gate ON / OFF.

Il resistore e il condensatore proteggono i dispositivi BPS da un possibile picco di corrente di punta.

Tuttavia, l'utilizzo di MOSFET a canale P non è mai il modo ideale per implementare un BPS a causa del loro elevato RDSon . Pertanto, questi potrebbero richiedere dispositivi più grandi e più costosi per compensare il calore e altre inefficienze correlate, rispetto al design BPS basato su canale N.

Utilizzo di MOSFET a canale N.

Nel progetto successivo vediamo un modo ideale per implementare un circuito BPS utilizzando MOSFET a canale N.

In questo circuito di commutazione bidirezionale discreto, vengono utilizzati MOSFET a canale N collegati back-to-back. Questo metodo richiede un circuito di pilotaggio esterno per facilitare la conduzione della potenza a due vie da A a B e viceversa.

I diodi Schottky BA159 vengono utilizzati per multiplexare le alimentazioni da A e B per attivare il circuito della pompa di carica, in modo che la pompa di carica sia in grado di generare la tensione di accensione necessaria per i MOSFET a canale N.

La pompa di carica potrebbe essere costruita utilizzando uno standard circuito duplicatore di tensione o un piccolo boost di commutazione circuito.

I 3,3 V vengono applicati per alimentare in modo ottimale la pompa di carica, mentre i diodi Schottky derivano la tensione di gate direttamente dal rispettivo ingresso (A / B) anche se l'alimentazione in ingresso è di soli 6 V. Questi 6 V vengono poi raddoppiati dal carica ump per i gate MOSFET.

Il MOSFET a canale N inferiore serve per controllare la commutazione ON / OFF dell'interruttore bidirezionale secondo le specifiche desiderate.

L'unico svantaggio dell'utilizzo di un MOSFET a canale N rispetto al canale P discusso in precedenza sono questi componenti aggiuntivi che possono consumare spazio aggiuntivo sul PCB. Tuttavia, questo svantaggio è controbilanciato dal basso R (acceso) dei MOSFET e dalla conduzione altamente efficiente e dai MOSFET di piccole dimensioni a basso costo.

Detto questo, anche questo design non fornisce alcuna protezione efficace contro il surriscaldamento, e quindi i dispositivi sovradimensionati possono essere considerati per applicazioni ad alta potenza.

Conclusione

Un interruttore bidirezionale può essere facilmente costruito utilizzando un paio di MOSFET collegati back to back. Questi interruttori possono essere implementati per molte applicazioni diverse che richiedono una commutazione bidirezionale del carico, ad esempio da una sorgente CA.

Riferimenti:

TPS2595xx, da 2,7 V a 18 V, 4 A, 34 mΩ eFuse con scheda tecnica di protezione rapida da sovratensione

Strumento di calcolo del progetto TPS2595xx

Dispositivi E-fuse




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