En esta publicación, aprendemos sobre los interruptores de potencia bidireccionales MOSFET, que se pueden usar para operar una carga en dos puntos bidireccionalmente. Esto se hace simplemente conectando dos MOSFET de canal N o canal P en serie con la línea de voltaje especificada.
¿Qué es un interruptor bidireccional?
Un interruptor de encendido bidireccional (BPS) es un dispositivo activo construido con MOSFET o IGBT , que permite un flujo bidireccional bidireccional de corriente cuando está encendido y bloquea un flujo bidireccional de voltaje cuando está apagado.
Dado que puede conducir en ambos sentidos, un interruptor bidireccional se puede comparar y simbolizar como un interruptor normal. Interruptor encendido / apagado Como se muestra abajo:
Aquí, podemos ver que se aplica un voltaje positivo en el punto 'A' del interruptor y se aplica un potencial negativo en el punto 'B', lo que permite que la corriente fluya a través de 'A' a 'B'. La acción se puede revertir simplemente cambiando la polaridad del voltaje. Es decir, los puntos 'A' y 'B' del BPS se pueden utilizar como terminales de entrada / salida intercambiables.
El mejor ejemplo de aplicación de un BPS se puede ver en todos los comerciales basados en MOSFET. Diseños SSR .
Caracteristicas
En Electrónica de potencia , las características de un interruptor bidireccional (BPS) se definen como un interruptor de cuatro cuadrantes que tiene la capacidad de conducir corriente positiva o negativa en el estado ON y también bloquear la corriente positiva o negativa en el estado OFF. El diagrama ON / OFF de cuatro cuadrantes para un BPS se muestra a continuación.
En el diagrama anterior, los cuadrantes se indican en color verde, lo que indica el estado ON de los dispositivos independientemente de la polaridad de la corriente de alimentación o de la forma de onda.
En el diagrama anterior, la línea recta roja indica que los dispositivos BPS están en estado APAGADO y no ofrecen absolutamente ninguna conducción independientemente de la polaridad del voltaje o la forma de onda.
Características principales que debe tener un BPS
- Un dispositivo de conmutación bidireccional debe ser altamente adaptable para permitir una conducción de energía fácil y rápida desde ambos lados, es decir, a través de A hacia B y de B hacia A.
- Cuando se usa en una aplicación de CC, un BPS debe exhibir una resistencia mínima en el estado (Ron) para mejorar la regulación de voltaje de la carga.
- Un sistema BPS debe estar equipado con un circuito de protección adecuado para resistir una corriente repentina durante un cambio de polaridad o en condiciones de temperatura ambiente relativamente alta.
Construcción de interruptor bidireccional
Un interruptor bidireccional se construye conectando MOSFET o IGBT en serie, como se muestra en las siguientes figuras.
Aquí, podemos presenciar tres métodos fundamentales a través de los cuales se puede configurar un interruptor bidireccional.
En el primer diagrama, dos MOSFET de canal P están configurados con sus fuentes conectadas espalda con espalda entre sí.
En el segundo diagrama, se pueden ver dos MOSFETS de canal N conectados a través de sus fuentes para implementar un diseño BPS.
En la tercera configuración, se muestran dos MOSFET de canal N conectados drenaje a drenaje para ejecutar la conducción bidireccional prevista.
Detalles de funcionamiento básico
Tomemos el ejemplo de la segunda configuración, en la que los MOSFET se unen con sus fuentes espalda con espalda, imaginemos que se aplica voltaje positivo desde 'A' y negativo a 'B', como se muestra a continuación:
En este caso, podemos ver que cuando se aplica el voltaje de la puerta, se permite que la corriente de 'A' fluya a través del MOSFET izquierdo, luego a través del diodo interno polarizado hacia adelante D2 del MOSFET del lado derecho, y finalmente la conducción se completa en el punto 'B '.
Cuando la polaridad del voltaje se invierte de 'B' a 'A', los MOSFET y sus diodos internos cambian sus posiciones como se muestra en la siguiente ilustración:
En la situación anterior, el MOSFET del lado derecho del BPS se enciende junto con D1, que es el diodo del cuerpo interno del MOSFET del lado izquierdo, para permitir la conducción de 'B' a 'A'.
Hacer interruptores bidireccionales discretos
Ahora aprendamos cómo se puede construir un conmutador bidireccional utilizando componentes discretos para una aplicación de conmutación bidireccional prevista.
El siguiente diagrama muestra la implementación básica de BPS utilizando MOSFET de canal P:
Uso de MOSFET de canal P
Cuando el punto 'A' es positivo, el diodo del cuerpo del lado izquierdo se polariza hacia adelante y conduce, seguido por el p-MOSFET del lado derecho, para completar la conducción en el punto 'B'.
Cuando el punto 'B' es positivo, los componentes respectivos del lado opuesto se activan para la conducción.
El MOSFET de canal N inferior controla los estados ON / OFF del dispositivo BPS a través de los comandos de puerta ON / OFF apropiados.
La resistencia y el condensador protegen los dispositivos BPS de una posible sobretensión de corriente.
Sin embargo, usar MOSFET de canal P nunca es la forma ideal de implementar un BPS debido a su alto RDSon . Por lo tanto, estos podrían requerir dispositivos más grandes y costosos para compensar el calor y otras ineficiencias relacionadas, en comparación con el diseño de BPS basado en canal N.
Uso de MOSFET de canal N
En el siguiente diseño, vemos una forma ideal de implementar un circuito BPS utilizando MOSFET de canal N.
En este circuito de conmutación bidireccional discreto, se utilizan MOSFET de N-canales conectados espalda con espalda. Este método exige un circuito controlador externo para facilitar la conducción de energía bidireccional de A a B y viceversa.
Los diodos Schottky BA159 se utilizan para multiplexar los suministros de A y B para activar el circuito de la bomba de carga, de modo que la bomba de carga sea capaz de generar la cantidad necesaria de voltaje de encendido para los MOSFET de canal N.
La bomba de carga se puede construir usando un estándar circuito duplicador de voltaje o un pequeño impulsar el cambio circuito.
Los 3.3 V se aplican para alimentar la bomba de carga de manera óptima, mientras que los diodos Schottky derivan el voltaje de la compuerta directamente de la entrada respectiva (A / B) incluso si el suministro de entrada es tan bajo como 6 V.Estos 6 V se duplican por el árbitro de cargo para las puertas MOSFET.
El MOSFET de canal N inferior es para controlar el encendido / apagado del interruptor bidireccional según las especificaciones deseadas.
La única desventaja de usar un MOSFET de canal N en comparación con el canal P discutido anteriormente son estos componentes adicionales que pueden consumir espacio adicional en la PCB. Sin embargo, esta desventaja se ve compensada por el bajo R (encendido) de los MOSFET y la conducción altamente eficiente, y los MOSFET de tamaño pequeño y bajo costo.
Dicho esto, este diseño tampoco proporciona ninguna protección efectiva contra el sobrecalentamiento y, por lo tanto, se pueden considerar dispositivos de gran tamaño para aplicaciones de alta potencia.
Conclusión
Un interruptor bidireccional se puede construir fácilmente usando un par de MOSFET conectados espalda con espalda. Estos interruptores se pueden implementar para muchas aplicaciones diferentes que requieren una conmutación bidireccional de la carga, como una fuente de CA.
Referencias:
TPS2595xx, 2.7 V a 18 V, 4-A, 34-mΩ eFuse con hoja de datos de protección rápida contra sobrevoltaje
Herramienta de cálculo de diseño TPS2595xx
Dispositivos de fusibles electrónicos
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