Bidirektionaler Schalter

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In diesem Beitrag erfahren Sie mehr über bidirektionale MOSFET-Leistungsschalter, mit denen eine Last bidirektional über zwei Punkte betrieben werden kann. Dies erfolgt einfach durch Anschließen von zwei N-Kanal- oder P-Kanal-MOSFETs hintereinander in Reihe mit der angegebenen Spannungsleitung.

Was ist ein bidirektionaler Schalter?

Ein bidirektionaler Netzschalter (BPS) ist ein aktives Gerät, das mit verwendet wird MOSFETs oder IGBTs Dies ermöglicht einen bidirektionalen bidirektionalen Stromfluss beim Einschalten und blockiert einen bidirektionalen Spannungsfluss beim Ausschalten.



Da es in beide Richtungen geleitet werden kann, kann ein bidirektionaler Schalter als normal verglichen und symbolisiert werden Ein / Aus Schalter Wie nachfolgend dargestellt:

Hier können wir sehen, dass am Punkt 'A' des Schalters eine positive Spannung angelegt wird und am Punkt 'B' ein negatives Potential angelegt wird, wodurch der Strom über 'A' nach 'B' fließen kann. Die Aktion kann durch einfaches Ändern der Spannungspolarität umgekehrt werden. Das heißt, die Punkte 'A' und 'B' des BPS können als austauschbare Eingangs- / Ausgangsanschlüsse verwendet werden.



Das beste Anwendungsbeispiel für ein BPS ist in allen MOSFET-basierten Werbespots zu sehen SSR-Designs .

Eigenschaften

Im Leistungselektronik Die Eigenschaften eines bidirektionalen Schalters (BPS) sind definiert als ein Vierquadrantenschalter, der im EIN-Zustand positiven oder negativen Strom leiten und im AUS-Zustand auch positiven oder negativen Strom blockieren kann. Das Vier-Quadranten-EIN / AUS-Diagramm für ein BPS ist unten gezeigt.

In dem obigen Diagramm sind die Quadranten in grüner Farbe angegeben, die den EIN-Zustand der Geräte unabhängig von der Polarität des Versorgungsstroms oder der Wellenform anzeigt.

Im obigen Diagramm zeigt die rote gerade Linie an, dass sich die BPS-Geräte im AUS-Zustand befinden und unabhängig von der Polarität der Spannung oder der Wellenform absolut keine Leitung bieten.

Hauptmerkmale, die ein BPS haben sollte

  • Eine bidirektionale Schaltvorrichtung muss in hohem Maße anpassbar sein, um eine einfache und schnelle Stromleitung von beiden Seiten zu ermöglichen, dh über A nach B und B nach A.
  • Bei Verwendung in Gleichstromanwendungen muss ein BPS einen minimalen Zustandswiderstand (Ron) aufweisen, um die Spannungsregelung der Last zu verbessern.
  • Ein BPS-System muss mit einer geeigneten Schutzschaltung ausgestattet sein, um einem plötzlichen Ansturmstrom während eines Polaritätswechsels oder bei relativ hohen Umgebungstemperaturbedingungen standzuhalten.

Bidirektionale Schalterkonstruktion

Ein bidirektionaler Schalter wird konstruiert, indem MOSFETs oder IGBTs hintereinander in Reihe geschaltet werden, wie in den folgenden Abbildungen gezeigt.

Hier können wir drei grundlegende Methoden beobachten, mit denen ein bidirektionaler Schalter konfiguriert werden kann.

Im ersten Diagramm sind zwei P-Kanal-MOSFETs konfiguriert, deren Quellen hintereinander verbunden sind.

Im zweiten Diagramm sind zwei N-Kanal-MOSFETs zu sehen, die über ihre Quellen verbunden sind, um ein BPS-Design zu implementieren.

In der dritten Konfiguration sind zwei N-Kanal-MOSFETs gezeigt, die Drain an Drain angeschlossen sind, um die beabsichtigte bidirektionale Leitung auszuführen.

Grundlegende Funktionsdetails

Nehmen wir das Beispiel der zweiten Konfiguration, bei der die MOSFETs mit ihren Quellen hintereinander verbunden werden. Stellen wir uns vor, dass eine positive Spannung von 'A' und eine negative von 'B' angelegt wird, wie unten gezeigt:

In diesem Fall können wir sehen, dass, wenn die Gate-Spannung angelegt wird, Strom von 'A' durch den linken MOSFET, dann durch die interne in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode D2 des rechten MOSFET fließen kann und schließlich die Leitung am Punkt 'B abgeschlossen ist '.

Wenn die Spannungspolarität von 'B' nach 'A' umgekehrt wird, kippen die MOSFETs und ihre internen Dioden ihre Positionen wie in der folgenden Abbildung gezeigt:

In der obigen Situation schaltet der rechte MOSFET des BPS zusammen mit D1, der die interne Körperdiode des linken MOSFET ist, ein, um die Leitung von 'B' nach 'A' zu ermöglichen.

Diskrete bidirektionale Schalter herstellen

Lassen Sie uns nun lernen, wie ein bidirektionaler Switch unter Verwendung diskreter Komponenten für eine beabsichtigte Zweiwege-Switching-Anwendung erstellt werden kann.

Das folgende Diagramm zeigt die grundlegende BPS-Implementierung unter Verwendung von P-Kanal-MOSFETs:

Verwendung von P-Kanal-MOSFETS

Bidirektionale Schaltschaltung mit p-Kanal-MOSFETs

Wenn der Punkt 'A' positiv ist, wird die linke Körperdiode in Vorwärtsrichtung vorgespannt und leitet, gefolgt vom rechten p-MOSFET, um die Leitung am Punkt 'B' zu vervollständigen.

Wenn der Punkt 'B' positiv ist, werden die entsprechenden Komponenten auf der gegenüberliegenden Seite für die Leitung aktiv.

Der untere N-Kanal-MOSFET steuert die EIN / AUS-Zustände des BPS-Geräts durch entsprechende EIN / AUS-Gate-Befehle.

Der Widerstand und der Kondensator schützen die BPS-Geräte vor einem möglichen Stoßstromstoß.

Die Verwendung eines P-Kanal-MOSFET ist jedoch niemals die ideale Methode zur Implementierung eines BPS aufgrund ihres hohen RDSon . Daher sind möglicherweise größere und kostspieligere Geräte erforderlich, um Wärme und andere damit verbundene Ineffizienzen im Vergleich zum N-Kanal-basierten BPS-Design auszugleichen.

Verwendung von N-Kanal-MOSFETS

Im nächsten Entwurf sehen wir einen idealen Weg zur Implementierung einer BPS-Schaltung unter Verwendung von N-Kanal-MOSFETs.

In dieser diskreten bidirektionalen Schaltschaltung werden hintereinander geschaltete N-Kanal-MOSFETs verwendet. Dieses Verfahren erfordert eine externe Treiberschaltung zur Erleichterung der bidirektionalen Stromleitung von A nach B und umgekehrt.

Die Schottky-Dioden BA159 werden verwendet, um die Versorgungen von A und B zu multiplexen, um die Ladungspumpenschaltung zu aktivieren, so dass die Ladungspumpe in der Lage ist, die erforderliche Einschaltspannung für die N-Kanal-MOSFETs zu erzeugen.

Die Ladungspumpe könnte unter Verwendung eines Standards gebaut werden Spannungsverdopplerschaltung oder eine kleine Boost-Umschaltung Schaltkreis.

Die 3,3 V werden zur optimalen Versorgung der Ladungspumpe angelegt, während die Schottky-Dioden die Gate-Spannung direkt vom jeweiligen Eingang (A / B) ableiten, selbst wenn die Eingangsversorgung nur 6 V beträgt. Diese 6 V werden dann durch die verdoppelt Laden Sie ump für die MOSFET-Gates.

Der untere N-Kanal-MOSFET dient zum Steuern des EIN / AUS-Schaltens des bidirektionalen Schalters gemäß den gewünschten Spezifikationen.

Der einzige Nachteil der Verwendung eines N-Kanal-MOSFET gegenüber dem zuvor diskutierten P-Kanal sind diese zusätzlichen Komponenten, die zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte verbrauchen können. Dieser Nachteil wird jedoch durch das niedrige R (Ein) der MOSFETs und die hocheffiziente Leitung sowie die kostengünstigen kleinen MOSFETs aufgewogen.

Diese Konstruktion bietet jedoch auch keinen wirksamen Schutz gegen Überhitzung, weshalb übergroße Geräte für Hochleistungsanwendungen in Betracht gezogen werden können.

Fazit

Ein bidirektionaler Schalter kann ganz einfach unter Verwendung einiger hintereinander verbundener MOSFETs aufgebaut werden. Diese Schalter können für viele verschiedene Anwendungen implementiert werden, die ein bidirektionales Schalten der Last erfordern, beispielsweise von einer Wechselstromquelle.

Verweise:

TPS2595xx, 2,7 V bis 18 V, 4 A, 34 mΩ eFuse mit Datenblatt zum schnellen Überspannungsschutz

TPS2595xx Entwurfsberechnungswerkzeug

E-Sicherungsgeräte




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