Usando Diodos Corporais MOSFET para Carregar Bateria em Inversores

Neste post tentamos entender como os diodos internos do corpo dos MOSFETs poderiam ser explorados para possibilitar o carregamento da bateria através do mesmo transformador que está sendo utilizado como transformador inversor.

Neste artigo, iremos investigar um conceito de inversor de ponte completa e aprender como os diodos embutidos de seus 4 MOSFETs podem ser aplicados para carregar uma bateria conectada.

O que é um inversor Full Bridge ou H-Bridge

Em alguns dos meus posts anteriores, discutimos circuitos inversores de ponte completa e quanto ao seu princípio de funcionamento.

Conforme mostrado na imagem acima, basicamente, em um inversor de ponte completa, temos um conjunto de 4 MOSFETs conectados à carga de saída. Os pares de MOSFET conectados diagonalmente são alternadamente comutados por meio de um oscilador , fazendo com que a entrada CC da bateria se transforme em uma corrente alternada ou CA para a carga.

A carga é normalmente na forma de um transformador , cujo primário de baixa tensão está conectado à ponte MOSFET para a inversão CC para CA pretendida.

Normalmente, o MOSFET de 4 canais N A topologia baseada em ponte H é aplicada em inversores de ponte completa, uma vez que esta topologia fornece o trabalho mais eficiente em termos de compactação para relação de potência de saída.

Apesar de usar inversores de 4 canais N dependem de driver ICs com bootstrapping , mas a eficiência supera a complexidade, portanto, esses tipos são popularmente empregados em todas as inversores de ponte completa .

Objetivo dos Diodos Corporais Internos MOSFET

Os diodos internos do corpo presentes em quase todos os MOSFETs modernos são introduzidos principalmente para proteger o dispositivo de picos EMF reversos gerados a partir de um carga indutiva , como um transformador, motor, solenóide etc.

Quando uma carga indutiva é ligada através do dreno MOSFET, a energia elétrica é armazenada instantaneamente dentro da carga, e durante o próximo momento como o MOSFET é DESLIGADO , este EMF armazenado é chutado de volta na polaridade reversa da fonte MOSFET para drenar, causando um dano permanente ao MOSFET.

A presença de um diodo interno do corpo através do dreno / fonte do dispositivo anula o perigo, permitindo que esse pico de fem traseiro um caminho direto através do diodo, protegendo assim o MOSFET de uma possível quebra.

Usando Diodos Corporais MOSFET para Carregar Bateria Inversora

Sabemos que um inversor está incompleto sem uma bateria, e uma bateria de inversor inevitavelmente requer carregamento frequente para manter a saída do inversor carregada e na condição de espera.

No entanto, o carregamento de uma bateria requer um transformador, que deve ser do tipo de alta potência para garantir o melhor corrente para a bateria .

Usar um transformador adicional em conjunto com o transformador inversor pode ser bastante volumoso e caro também. Portanto, encontrar uma técnica em que o o mesmo transformador inversor é aplicado para carregar a bateria parece extremamente benéfica.

A presença dos diodos internos do corpo nos MOSFETs felizmente permite que o transformador seja comutado no modo inversor e também no modo carregador de bateria, através de alguns mudanças de relé sequências.

Conceito Básico de Trabalho

No diagrama abaixo, podemos ver que cada MOSFET é acompanhado por um diodo interno do corpo, conectado através de seus pinos de dreno / fonte.

O ânodo do diodo é conectado ao pino da fonte, enquanto o pino do cátodo está associado ao pino de drenagem do dispositivo. Também podemos ver que, uma vez que os MOSFETs são configurados em uma rede em ponte, os diodos também são configurados em uma rede básica retificador de ponte completa formato de rede.

Alguns relés são empregados que implementam alguns mudanças rápidas para permitir que a rede CA carregue a bateria através dos diodos MOSFET do corpo.

Esta retificador de ponte A formação de rede dos diodos internos do MOSFET torna o processo de usar um único transformador como um transformador inversor e um transformador carregador muito simples.

Direção do fluxo atual através dos diodos corporais MOSFET

A imagem a seguir mostra a direção do fluxo de corrente através dos diodos do corpo para retificar o transformador AC para uma tensão de carregamento DC

Com uma fonte CA, os fios do transformador mudam sua polaridade alternadamente. Conforme mostrado na imagem à esquerda, assumindo o START como o fio positivo, as setas laranja indicam o padrão de fluxo da corrente via D1, bateria, D3 e de volta ao FINISH ou ao fio negativo do transformador.

Para o próximo ciclo CA, a polaridade se inverte e a corrente se move conforme indicado pelas setas azuis por meio do diodo do corpo D4, bateria, D2 e ​​de volta para o FINISH ou a extremidade negativa do enrolamento do transformador. Isso continua se repetindo alternadamente, transformando os ciclos de CA em CC e carregando a bateria.

No entanto, uma vez que os MOSFETs também estão envolvidos no sistema, deve-se tomar extremo cuidado para garantir que esses dispositivos não sejam danificados no processo, e isso exige operações perfeitas de troca de inversor / carregador.

Design Prático

O diagrama a seguir mostra um projeto prático configurado para implementar diodos de corpo MOSFET como um retificador para carregando uma bateria do inversor , com interruptores de comutação de relé.

Para garantir 100% de segurança para os MOSFETs no modo de carregamento e ao usar os diodos do corpo com o transformador CA, as portas do MOSFET devem ser mantidas no potencial de terra e completamente desligadas da fonte de CC.

Para isso, implementamos duas coisas, conectamos resistores de 1 k nos pinos de porta / fonte de todos os MOSFETs e colocamos um relé de corte em série com a linha de alimentação Vcc do IC do driver.

O relé de corte é um contato de relé SPDT com seus contatos N / C conectados em série com a entrada de alimentação IC do driver. Na ausência de alimentação CA, os contatos N / C permanecem ativos, permitindo que a alimentação da bateria alcance o IC do driver para alimentar os MOSFETs.

Quando a rede AC está disponível, este relé muda para os contatos N / O cortando o IC Vcc da fonte de alimentação, garantindo assim um corte total para os MOSFETs da unidade positiva.

Podemos ver outro conjunto de contatos de relé conectado com o lado da rede 220 V do transformador. Este enrolamento constitui a saída 220V do lado do inversor. As pontas dos enrolamentos são conectadas com os pólos de um relé DPDT, cujos contatos N / O e N / C são configurados com a entrada da rede elétrica AC e a carga respectivamente.

Na ausência de rede elétrica CA, o sistema funciona no modo inversor e a saída de energia é fornecida à carga por meio dos contatos N / C do DPDT.

Na presença de uma entrada de rede CA, o relé ativa os contatos N / O permitindo que a rede CA alimente o lado de 220 V do transformador. Isso, por sua vez, energiza o lado do inversor do transformador e a corrente pode passar pelos diodos do corpo dos MOSFETs para carregar a bateria conectada.

Antes que o relé DPDT seja ativado, o relé SPDT deve cortar o Vcc do IC do driver da fonte. Este ligeiro atraso na ativação entre o relé SPDT e o relé DPDT deve ser garantido a fim de garantir 100% de segurança para os MOSFETs e para as operações de som do inversor / modo de carregamento através dos diodos do corpo.

Operações de troca de relé

Conforme sugerido acima, quando a alimentação principal estiver disponível, o contato do relé SPDT do lado Vcc deve ativar alguns milissegundos antes do relé DPDT, no lado do transformador. No entanto, quando a entrada da rede falha, ambos os relés devem ser DESLIGADOS quase simultaneamente. Essas condições podem ser implementadas usando o seguinte circuito.

Aqui, a alimentação DC operacional para a bobina do relé é adquirida de um padrão Adaptador AC para DC , ligado à rede.

Isso significa que, quando a rede CA está disponível, o adaptador CA / CC liga os relés. O relé SPDT sendo conectado diretamente à alimentação CC é ativado rapidamente antes que o relé DPDT o faça. O relé DPDT é ativado alguns milissegundos depois devido à presença dos capacitores de 10 ohms e 470 uF. Isso garante que o driver IC do MOSFET seja desabilitado antes que o transformador seja capaz de responder à entrada CA da rede em seu lado de 220 V.

Quando a rede CA falha, ambos os relés são desligados quase simultaneamente, uma vez que o capacitor 470uF agora não tem efeito no DPDT devido ao diodo polarizado reverso em série.

Isso conclui nossa explicação sobre o uso de diodos de corpo MOSFET para carregar uma bateria de inversor por meio de um único transformador comum. Esperançosamente, a ideia permitirá que muitos entusiastas construam inversores automáticos baratos e compactos com carregadores de bateria embutidos, usando um único transformador comum.