Utilizzo dei diodi corpo MOSFET per caricare la batteria negli inverter

In questo post cerchiamo di capire come potrebbero essere sfruttati i diodi di body interni dei MOSFET per abilitare la ricarica della batteria attraverso lo stesso trasformatore che viene utilizzato come trasformatore dell'inverter.

In questo articolo esamineremo un concetto di inverter a ponte completo e impareremo come i diodi integrati dei suoi 4 MOSFET potrebbero essere applicati per caricare una batteria collegata.

Che cos'è un inverter Full Bridge o H-Bridge

In alcuni dei miei post precedenti abbiamo discusso circuiti inverter full bridge e per quanto riguarda il loro principio di funzionamento.

Come mostrato nell'immagine sopra, in pratica, in un inverter a ponte intero abbiamo un set di 4 MOSFET collegati al carico di uscita. Le coppie di MOSFET collegate diagonalmente vengono commutate alternativamente attraverso un esterno oscillatore , provocando la trasformazione della CC in ingresso dalla batteria in una corrente alternata o CA per il carico.

Il carico è normalmente sotto forma di a trasformatore , il cui primario a bassa tensione è collegato al ponte MOSFET per l'inversione da CC a CA prevista.

In genere, il file MOSFET a 4 canali N. La topologia H-bridge basata è applicata agli inverter full bridge, poiché questa topologia fornisce il lavoro più efficiente in termini di rapporto di compattezza e potenza.

Sebbene l'utilizzo di 4 inverter a canale N dipenda da esperti driver IC con bootstrap , tuttavia l'efficienza supera la complessità, quindi questi tipi sono comunemente impiegati in tutti i moderni inverter full bridge .

Scopo dei diodi a corpo interno MOSFET

I diodi body interni presenti in quasi tutti i MOSFET moderni vengono principalmente introdotti salvaguardare il dispositivo da picchi EMF inversi generati da un collegato carico induttivo , come un trasformatore, motore, solenoide ecc.

Quando un carico induttivo viene acceso attraverso il drenaggio del MOSFET, l'energia elettrica viene immagazzinata istantaneamente all'interno del carico e durante il momento successivo come il Il MOSFET si spegne , questo EMF immagazzinato viene respinto nella polarità inversa dalla sorgente del MOSFET allo scarico, causando un danno permanente al MOSFET.

La presenza di un body diode interno attraverso il drain / source del dispositivo vanifica il pericolo consentendo a questo picco di back emf un percorso diretto attraverso il diodo, salvaguardando così il MOSFET da un possibile guasto.

Utilizzo dei diodi corpo MOSFET per la ricarica della batteria dell'inverter

Sappiamo che un inverter è incompleto senza una batteria, e una batteria dell'inverter richiede inevitabilmente una ricarica frequente per mantenere l'uscita dell'inverter piena e in condizione di standby.

Tuttavia, la ricarica di una batteria richiede un trasformatore, che deve essere di un tipo ad alto wattaggio per garantire una potenza ottimale corrente per la batteria .

L'uso di un trasformatore aggiuntivo in combinazione con il trasformatore dell'inverter può essere piuttosto ingombrante e anche costoso. Trovando quindi una tecnica in cui il lo stesso trasformatore dell'inverter viene applicato per la ricarica la batteria sembra estremamente vantaggiosa.

La presenza dei body diodi interni nei MOSFET permette fortunatamente di commutare il trasformatore in modalità inverter ed anche in modalità caricabatteria, tramite alcune semplici cambi di relè sequenze.

Concetto di lavoro di base

Nello schema seguente possiamo vedere che ogni MOSFET è accompagnato da un diodo body interno, collegato attraverso i loro pin di drain / source.

L'anodo del diodo è connesso al pin di source, mentre il pin del catodo è associato al pin di drain del dispositivo. Possiamo anche vedere che poiché i MOSFET sono configurati in una rete a ponte, anche i diodi vengono configurati in una base raddrizzatore a ponte intero formato di rete.

Vengono impiegati un paio di relè che ne implementano alcuni cambi rapidi per consentire alla rete CA di caricare la batteria tramite i diodi del corpo MOSFET.

Questo raddrizzatore a ponte la formazione in rete dei diodi interni del MOSFET rende di fatto il processo di utilizzo di un singolo trasformatore come trasformatore inverter e trasformatore caricatore molto semplice.

Direzione del flusso di corrente tramite diodi a corpo MOSFET

L'immagine seguente mostra la direzione del flusso di corrente attraverso i diodi del corpo per raddrizzare il trasformatore CA a una tensione di carica CC

Con un'alimentazione CA, i fili del trasformatore cambiano alternativamente la loro polarità. Come mostrato nell'immagine a sinistra, supponendo che lo START sia il filo positivo, le frecce arancioni indicano l'andamento del flusso di corrente attraverso D1, batteria, D3 e di nuovo al FINISH o il filo negativo del trasformatore.

Per il successivo ciclo CA, la polarità si inverte e la corrente si sposta come indicato dalle frecce blu attraverso il diodo del corpo D4, batteria, D2 e ​​torna alla FINITURA o all'estremità negativa dell'avvolgimento del trasformatore. Ciò continua a ripetersi alternativamente, trasformando entrambi i cicli CA in CC e caricando la batteria.

Tuttavia, poiché nel sistema sono coinvolti anche i MOSFET, è necessario prestare estrema attenzione per garantire che questi dispositivi non vengano danneggiati durante il processo, e questo richiede una perfetta operazione di cambio inverter / caricatore.

Design pratico

Il diagramma seguente mostra un progetto pratico predisposto per l'implementazione dei diodi body MOSFET come raddrizzatore per caricare una batteria inverter , con commutatori a relè.

Per garantire la sicurezza al 100% per i MOSFET in modalità di carica e durante l'utilizzo dei diodi body con il trasformatore AC, i gate MOSFET devono essere mantenuti al potenziale di terra e completamente scollegati dall'alimentazione DC.

Per questo implementiamo due cose, colleghiamo resistori da 1 k sui pin gate / source di tutti i MOSFET e mettiamo un relè di interruzione in serie con la linea di alimentazione Vcc del driver IC.

Il relè di interruzione è un contatto relè SPDT con i suoi contatti N / C collegati in serie con l'ingresso di alimentazione IC del driver. In assenza di rete AC, i contatti N / C rimangono attivi permettendo all'alimentazione della batteria di raggiungere il driver IC per alimentare i MOSFET.

Quando è disponibile la rete CA, questo il relè cambia ai contatti N / O staccando l'IC Vcc dalla fonte di alimentazione, assicurando così un taglio totale per i MOSFET dal positivo.

Possiamo vedere un altro set di contatti di relè collegato al trasformatore 220 V lato rete. Questo avvolgimento costituisce il lato di uscita 220V dell'inverter. Le estremità dell'avvolgimento sono collegate ai poli di un relè DPDT, i cui contatti NA e NC sono configurati rispettivamente con l'ingresso di rete AC e il carico.

In assenza di rete AC, il sistema funziona in modalità inverter e la potenza erogata viene fornita al carico tramite i contatti N / C del DPDT.

In presenza di un ingresso di rete AC, il relè si attiva sui contatti N / O consentendo alla rete AC di alimentare il lato 220V del trasformatore. Questo a sua volta eccita il lato inverter del trasformatore e la corrente può passare attraverso i diodi del corpo dei MOSFET per caricare la batteria collegata.

Prima che il relè DPDT sia in grado di attivarsi, il relè SPDT dovrebbe tagliare il Vcc del driver IC dall'alimentazione. Questo leggero ritardo di attivazione tra il relè SPDT e il relè DPDT deve essere assicurato al fine di garantire la sicurezza al 100% per i MOSFET e per il funzionamento sonoro del modalità inverter / carica tramite i diodi del corpo.

Operazioni di commutazione del relè

Come suggerito sopra, quando è disponibile l'alimentazione di rete il contatto del relè SPDT lato Vcc dovrebbe attivarsi alcuni millisecondi prima del relè DPDT, lato trasformatore. Tuttavia, quando viene a mancare l'ingresso di rete, entrambi i relè devono spegnersi quasi contemporaneamente. Queste condizioni potrebbero essere implementate utilizzando il seguente circuito.

Qui, l'alimentazione CC operativa per la bobina del relè viene acquisita da uno standard Adattatore da CA a CC , collegato alla rete elettrica.

Ciò significa che, quando la rete CA è disponibile, l'adattatore CA / CC accende i relè. Il relè SPDT collegato direttamente all'alimentazione CC si attiva rapidamente prima che il relè DPDT possa farlo. Il relè DPDT si attiva pochi millisecondi dopo per la presenza del condensatore da 10 ohm e da 470 uF. Ciò garantisce che il circuito integrato del driver MOSFET sia disabilitato prima che il trasformatore sia in grado di rispondere all'ingresso CA della rete sul lato 220 V.

Quando la rete CA viene a mancare, entrambi i relè si spengono quasi contemporaneamente, poiché il condensatore da 470uF ora non ha alcun effetto sul DPDT a causa del diodo polarizzato inverso in serie.

Questo conclude la nostra spiegazione sull'uso dei diodi corpo MOSFET per caricare una batteria inverter attraverso un singolo trasformatore comune. Si spera che l'idea consentirà ai molti hobbisti di costruire inverter automatici economici e compatti con caricabatterie integrati, utilizzando un unico trasformatore comune.