Chave bidirecional

Nesta postagem, aprendemos sobre as chaves de alimentação bidirecionais MOSFET, que podem ser usadas para operar uma carga em dois pontos bidirecionalmente. Isso é feito simplesmente conectando-se dois MOSFETs de canal N ou P, em série com a linha de tensão especificada.

O que é um switch bidirecional

Um interruptor de alimentação bidirecional (BPS) é um dispositivo ativo construído usando MOSFETs ou IGBTs , que permite um fluxo bidirecional de corrente quando ligado e bloqueia um fluxo bidirecional de tensão quando desligado.

Uma vez que é capaz de conduzir em ambos os sentidos, um switch bidirecional pode ser comparado e simbolizado como um normal Chave ON / OFF como mostrado abaixo:

Aqui, podemos ver que uma tensão positiva é aplicada no ponto 'A' da chave e um potencial negativo é aplicado no ponto 'B', o que permite que a corrente flua de 'A' para 'B'. A ação pode ser revertida simplesmente mudando a polaridade da tensão. Ou seja, os pontos 'A' e 'B' do BPS podem ser usados ​​como terminais de entrada / saída intercambiáveis.

O melhor exemplo de aplicação de um BPS pode ser visto em todos os comerciais baseados em MOSFET Designs SSR .

Características

No Eletrônica de potência , as características de uma chave bidirecional (BPS) são definidas como uma chave de quatro quadrantes com a capacidade de conduzir corrente positiva ou negativa no estado LIGADO e também bloquear corrente positiva ou negativa no estado DESLIGADO. O diagrama ON / OFF de quatro quadrantes para um BPS é mostrado abaixo.

No diagrama acima, os quadrantes são indicados na cor verde, o que indica o estado LIGADO dos dispositivos, independentemente da polaridade da corrente de alimentação ou da forma de onda.

No diagrama acima, a linha reta vermelha indica que os dispositivos BPS estão no estado OFF e não oferece absolutamente nenhuma condução, independentemente da polaridade da tensão ou da forma de onda.

Principais características que um BPS deve ter

• Um dispositivo de comutação bidirecional deve ser altamente adaptável para permitir a condução de energia fácil e rápida de ambos os lados, ou seja, de A para B e de B para A.
• Quando usado em aplicação DC, um BPS deve exibir resistência mínima no estado (Ron) para melhorar a regulação da tensão da carga.
• Um sistema BPS deve ser equipado com circuitos de proteção adequados para resistir a uma corrente repentina de pico durante uma mudança de polaridade ou em condições de temperatura ambiente relativamente alta.

Construção de switch bidirecional

Uma chave bidirecional é construída conectando MOSFETs ou IGBTs costas com costas em série, conforme mostrado nas figuras a seguir.

Aqui, podemos testemunhar três métodos fundamentais através dos quais um switch bidirecional pode ser configurado.

No primeiro diagrama, dois MOSFETs de canal P são configurados com suas fontes conectadas uma com a outra.

No segundo diagrama, dois MOSFETS de canal N podem ser vistos conectados em suas fontes para a implementação de um projeto BPS.

Na terceira configuração, dois MOSFETs de canal N são mostrados conectados dreno a dreno para executar a condução bidirecional pretendida.

Detalhes Básicos de Funcionamento

Vamos pegar o exemplo da segunda configuração, na qual os MOSFETs são unidos com suas fontes costas com costas, vamos imaginar que a tensão positiva é aplicada de 'A' e negativa a 'B', conforme mostrado abaixo:

Neste caso, podemos ver que quando a tensão da porta é aplicada, a corrente de 'A' pode fluir através do MOSFET esquerdo, depois através do diodo polarizado direto interno D2 do MOSFET do lado direito e, finalmente, a condução é concluída no ponto 'B '.

Quando a polaridade da tensão é invertida de 'B' para 'A', os MOSFETs e seus diodos internos mudam suas posições conforme mostrado na ilustração a seguir:

Na situação acima, o MOSFET do lado direito do BPS liga junto com D1 que é o diodo interno do corpo do MOSFET do lado esquerdo, para permitir a condução de 'B' para 'A'.

Fazendo interruptores bidirecionais discretos

Agora vamos aprender como um switch bidirecional pode ser construído usando componentes discretos para uma aplicação de comutação bidirecional pretendida.

O diagrama a seguir mostra a implementação básica de BPS usando MOSFETs de canal P:

Usando MOSFETS P-Channel

Quando o ponto 'A' é positivo, o diodo do corpo do lado esquerdo é polarizado para frente e conduz, seguido pelo MOSFET do lado direito, para completar a condução no ponto 'B'.

Quando o ponto 'B' é positivo, os respectivos componentes do lado oposto tornam-se ativos para a condução.

O MOSFET do canal N inferior controla os estados ON / OFF do dispositivo BPS por meio de comandos de porta ON / OFF apropriados.

O resistor e o capacitor protegem os dispositivos BPS de um possível surto de corrente de pico.

No entanto, usar MOSFET de canal P nunca é a maneira ideal de implementar um BPS devido ao seu alto RDSon . Portanto, isso pode exigir dispositivos maiores e mais caros para compensar o calor e outras ineficiências relacionadas, em comparação com o design BPS baseado em canal N.

Usando MOSFETS N-Channel

No próximo projeto, vemos uma maneira ideal de implementar um circuito BPS usando MOSFETs de canal N.

Neste circuito de comutação bidirecional discreto, MOSFETs N-chanel conectados back-to-back são usados. Este método exige um circuito de driver externo para facilitar a condução de energia nos dois sentidos de A para B e no sentido inverso.

Os diodos Schottky BA159 são usados ​​para multiplexar as fontes de A e B para ativar o circuito da bomba de carga, de modo que a bomba de carga seja capaz de gerar a quantidade necessária de tensão LIGADA para os MOSFETs do canal N

A bomba de carga pode ser construída usando um padrão circuito duplicador de tensão ou um pequeno aumentar a troca o circuito.

O 3,3 V é aplicado para alimentar a bomba de carga de forma ideal, enquanto os diodos Schottky derivam a tensão da porta diretamente da respectiva entrada (A / B), mesmo se a alimentação de entrada for tão baixa quanto 6 V. Este 6 V é então duplicado pelo cobrar ump para os portões MOSFET.

O MOSFET de canal N inferior é para controlar a comutação ON / OFF da chave bidirecional de acordo com as especificações desejadas.

A única desvantagem de usar um MOSFET de canal N em comparação com o canal P discutido anteriormente são esses componentes extras que podem consumir espaço extra no PCB. No entanto, esta desvantagem é superada pelo baixo R (on) dos MOSFETs e pela condução altamente eficiente e pelos MOSFETs de pequeno porte de baixo custo.

Dito isso, este projeto também não fornece nenhuma proteção eficaz contra superaquecimento e, portanto, dispositivos superdimensionados podem ser considerados para aplicações de alta potência.

Conclusão

Um switch bidirecional pode ser facilmente construído usando um par de MOSFETs conectados costas com costas. Essas chaves podem ser implementadas para muitas aplicações diferentes que requerem uma comutação bidirecional da carga, como da fonte CA.

Referências:

TPS2595xx, 2,7 V a 18 V, 4-A, 34 mΩ eFuse com folha de dados de proteção contra sobretensão rápida

Ferramenta de cálculo de projeto TPS2595xx

Dispositivos de fusível E