Çift Yönlü Anahtar

Bu yazıda, bir yükü çift yönlü olarak iki noktada çalıştırmak için kullanılabilen MOSFET çift yönlü güç anahtarlarını öğreneceğiz. Bu basitçe, iki N-kanal veya P-kanal MOSFET'leri belirtilen gerilim hattına seri olarak arka arkaya bağlayarak yapılır.

Çift Yönlü Anahtar Nedir

Çift yönlü güç anahtarı (BPS), MOSFET'ler veya IGBT'ler açıldığında iki yönlü çift yönlü akım akışına izin veren ve KAPALI konuma getirildiğinde çift yönlü voltaj akışını engelleyen.

Her iki yönde de iletebildiğinden, çift yönlü bir anahtar normal bir şekilde karşılaştırılabilir ve sembolize edilebilir. Açma / kapama düğmesi Aşağıda gösterildiği gibi:

Burada, anahtarın 'A' noktasına pozitif bir voltaj uygulandığını ve 'B' noktasına negatif bir potansiyelin uygulandığını görebiliriz, bu da akımın 'A' dan 'B' ye akmasına izin verir. Eylem, basitçe voltaj polaritesi değiştirilerek tersine çevrilebilir. Yani, BPS'nin 'A' ve 'B' noktaları değiştirilebilir giriş / çıkış terminalleri olarak kullanılabilir.

Bir BPS'nin en iyi uygulama örneği tüm MOSFET tabanlı reklamlarda görülebilir. SSR tasarımları .

Özellikler

İçinde Güç elektroniği İki yönlü bir anahtarın (BPS) özellikleri, AÇIK durumda pozitif veya negatif akım iletme ve ayrıca KAPALI durumda pozitif veya negatif akımı bloke etme yeteneğine sahip dört çeyrek anahtar olarak tanımlanır. Bir BPS için dört çeyrek AÇIK / KAPALI diyagramı aşağıda gösterilmiştir.

Yukarıdaki diyagramda, kadranlar, besleme akımının polaritesine veya dalga biçimine bakılmaksızın cihazların AÇIK durumunu gösteren yeşil renkle gösterilmiştir.

Yukarıdaki diyagramda kırmızı düz çizgi, BPS cihazlarının KAPALI durumda olduğunu ve voltajın veya dalga biçiminin polaritesine bakılmaksızın kesinlikle hiçbir iletim sağlamadığını gösterir.

Bir BPS'nin Sahip Olması Gereken Temel Özellikler

• Çift yönlü bir anahtar cihazı, A'dan B'ye ve B'den A'ya her iki taraftan da kolay ve hızlı güç iletimi sağlamak için son derece uyarlanabilir olmalıdır.
• DC uygulamasında kullanıldığında, bir BPS, yükün gelişmiş voltaj regülasyonu için minimum açık durum direnci (Ron) sergilemelidir.
• Bir BPS sistemi, bir polarite değişimi sırasında veya nispeten yüksek ortam sıcaklığı koşullarında ani ani akımlara dayanmak için uygun koruma devresi ile donatılmalıdır.

Çift Yönlü Anahtar Yapısı

Aşağıdaki şekillerde gösterildiği gibi, MOSFET'leri veya IGBT'leri arka arkaya bağlayarak çift yönlü bir anahtar oluşturulur.

Burada, çift yönlü bir anahtarın yapılandırılabileceği üç temel yönteme tanık olabiliriz.

İlk diyagramda, iki P-kanallı MOSFET, kaynakları birbirleriyle arka arkaya bağlanacak şekilde yapılandırılmıştır.

İkinci diyagramda, iki N-kanallı MOSFET, bir BPS tasarımını uygulamak için kaynaklarına bağlı olarak görülebilir.

Üçüncü konfigürasyonda, iki N-kanallı MOSFET, amaçlanan çift yönlü iletimi gerçekleştirmek için drenaja bağlı olarak gösterilmiştir.

Temel İşlev Ayrıntıları

MOSFET'lerin kaynakları ile arka arkaya birleştirildiği ikinci konfigürasyon örneğini ele alalım, aşağıda gösterildiği gibi 'A'dan pozitif voltaj ve' B'ye negatif voltaj uygulandığını düşünelim:

Bu durumda, kapı voltajı uygulandığında, 'A'dan gelen akımın sol MOSFET'ten, daha sonra sağ taraftaki MOSFET'in iç ön yanlı diyotu D2'den akmasına izin verildiğini ve son olarak iletimin' B noktasında tamamlandığını görebiliriz. '.

Voltaj polaritesi 'B' den 'A' ya ters çevrildiğinde, MOSFET'ler ve dahili diyotları aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi konumlarını değiştirirler:

Yukarıdaki durumda, BPS'nin sağ tarafındaki MOSFET, 'B'den' A'ya iletimi sağlamak için sol taraf MOSFET'in iç gövde diyotu olan D1 ile birlikte AÇIK konuma geçer.

Ayrık Çift Yönlü Anahtarlar Yapma

Şimdi, amaçlanan iki yönlü anahtarlama uygulaması için iki yönlü bir anahtarın ayrı bileşenler kullanılarak nasıl oluşturulabileceğini öğrenelim.

Aşağıdaki şema, P-kanal MOSFET'leri kullanan temel BPS uygulamasını göstermektedir:

P-Channel MOSFET'ları Kullanma

'A' noktası pozitif olduğunda, sol taraftaki gövde diyotu öne doğru eğilir ve iletimi 'B' noktasında tamamlamak için sağ taraftaki p-MOSFET'i takip eder.

'B' noktası pozitif olduğunda, karşı taraftaki ilgili bileşenler iletim için aktif hale gelir.

Alt N-kanallı MOSFET, BPS cihazının AÇIK / KAPALI durumlarını uygun AÇMA / KAPAMA geçit komutları ile kontrol eder.

Direnç ve kondansatör, BPS cihazlarını olası bir ani akım dalgalanmasından korur.

Bununla birlikte, P-kanal MOSFET kullanmak asla bir BPS'yi uygulamanın ideal yolu değildir yüksek RDSon'ları nedeniyle . Bu nedenle bunlar, N-kanal tabanlı BPS tasarımına kıyasla ısı ve diğer ilgili verimsizlikleri telafi etmek için daha büyük ve daha maliyetli cihazlar gerektirebilir.

N-Kanal MOSFET'leri Kullanma

Bir sonraki tasarımda, N-kanal MOSFET'leri kullanarak bir BPS devresini uygulamanın ideal bir yolunu görüyoruz.

Bu ayrık çift yönlü anahtar devresinde, arka arkaya bağlı N-kanallı MOSFET'ler kullanılır. Bu yöntem, A'dan B'ye ve tersine iki yönlü güç iletimini kolaylaştırmak için harici bir sürücü devresi gerektirir.

Schottky diyotları BA159, şarj pompası devresini etkinleştirmek için A ve B'den gelen kaynakları çoğaltmak için kullanılır, böylece şarj pompası, N-kanallı MOSFET'ler için gerekli miktarda AÇIK voltajı üretebilir.

Şarj pompası bir standart kullanılarak inşa edilebilir voltaj katlama devresi veya küçük artırma geçişi devre.

3.3 V, şarj pompasına en iyi şekilde güç sağlamak için uygulanırken, Schottky diyotları, giriş beslemesi 6 V kadar düşük olsa bile kapı voltajını doğrudan ilgili girişten (A / B) türetir. Bu 6 V, daha sonra iki katına çıkarılır. MOSFET kapıları için şarj hakkı.

Alt N-kanallı MOSFET, istenen özelliklere göre çift yönlü anahtarın AÇIK / KAPALI anahtarını kontrol etmek içindir.

Daha önce tartışılan P kanalına kıyasla bir N-kanal MOSFET kullanmanın tek dezavantajı, PCB üzerinde fazladan alan tüketebilen bu ekstra bileşenlerdir. Bununla birlikte, bu dezavantaj, MOSFET'lerin düşük R (açık) değeri ve yüksek verimli iletim ve düşük maliyetli küçük boyutlu MOSFET'ler tarafından ağır basmaktadır.

Bununla birlikte, bu tasarım aynı zamanda aşırı ısınmaya karşı etkili bir koruma sağlamaz ve bu nedenle yüksek güç uygulamaları için büyük boyutlu cihazlar düşünülebilir.

Sonuç

Çift yönlü bir anahtar, arka arkaya bağlı MOSFET'ler kullanılarak oldukça kolay bir şekilde oluşturulabilir. Bu anahtarlar, AC kaynağı gibi yükün çift yönlü anahtarlanmasını gerektiren birçok farklı uygulama için uygulanabilir.

Referanslar:

TPS2595xx, 2,7 V - 18 V, 4-A, 34-mΩ eFuse ile Hızlı Aşırı Gerilim Koruması Veri Sayfası

TPS2595xx Tasarım Hesaplama Aracı

E-sigorta cihazları