สวิตช์สองทิศทาง

ในโพสต์นี้เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับสวิตช์ไฟสองทิศทางของ MOSFET ซึ่งสามารถใช้สำหรับการทำงานของโหลดในสองจุดแบบสองทิศทาง ทำได้ง่ายๆโดยการเชื่อมต่อ N-channel สองช่องหรือ P-channel MOSFET กลับไปเป็นอนุกรมด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ระบุ

สวิตช์แบบสองทิศทางคืออะไร

สวิตช์ไฟแบบสองทิศทาง (BPS) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ซึ่งสร้างขึ้นโดยใช้ MOSFET หรือ IGBT ซึ่งช่วยให้กระแสไฟฟ้าไหลสองทิศทางสองทิศทางเมื่อเปิดเครื่องและบล็อกการไหลของแรงดันไฟฟ้าแบบสองทิศทางเมื่อปิดเครื่อง

เนื่องจากสามารถดำเนินการได้ทั้งสองวิธีจึงสามารถเปรียบเทียบสวิตช์สองทิศทางและเป็นสัญลักษณ์ได้ตามปกติ สวิตช์เปิด / ปิด ดังแสดงด้านล่าง:

ที่นี่เราจะเห็นว่ามีการใช้แรงดันไฟฟ้าบวกที่จุด 'A' ของสวิตช์และศักย์ลบจะถูกนำไปใช้ที่จุด 'B' ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน 'A' ถึง 'B' การดำเนินการสามารถย้อนกลับได้โดยเพียงแค่เปลี่ยนขั้วของแรงดันไฟฟ้า ความหมายจุด 'A' และ 'B' ของ BPS สามารถใช้เป็นขั้วอินพุต / เอาท์พุตแทนกันได้

ตัวอย่างแอปพลิเคชันที่ดีที่สุดของ BPS สามารถเห็นได้ในเชิงพาณิชย์ที่ใช้ MOSFET ทั้งหมด การออกแบบ SSR .

ลักษณะเฉพาะ

ใน อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ลักษณะของสวิตช์สองทิศทาง (BPS) ถูกกำหนดให้เป็นสวิตช์สี่ส่วนที่มีความสามารถในการนำกระแสบวกหรือลบในสถานะเปิดและยังบล็อกกระแสบวกหรือลบในสถานะปิด แผนภาพเปิด / ปิดสี่ส่วนสำหรับ BPS แสดงอยู่ด้านล่าง

ในแผนภาพด้านบนรูปสี่เหลี่ยมจะแสดงเป็นสีเขียวซึ่งระบุสถานะ ON ของอุปกรณ์โดยไม่คำนึงถึงขั้วของกระแสจ่ายหรือรูปคลื่น

ในแผนภาพด้านบนเส้นตรงสีแดงแสดงว่าอุปกรณ์ BPS อยู่ในสถานะปิดและไม่มีการนำไฟฟ้าโดยไม่คำนึงถึงขั้วของแรงดันไฟฟ้าหรือรูปคลื่น

คุณสมบัติหลักที่ BPS ควรมี

• อุปกรณ์สวิตช์สองทิศทางต้องปรับตัวได้สูงเพื่อให้สามารถนำพลังงานจากทั้งสองด้านได้ง่ายและรวดเร็วซึ่งอยู่ตรงข้าม A ถึง B และ B ถึง A
• เมื่อใช้ในแอปพลิเคชัน DC BPS ต้องแสดงความต้านทานสถานะต่ำสุด (Ron) เพื่อปรับปรุงการควบคุมแรงดันไฟฟ้าของโหลด
• ระบบ BPS ต้องติดตั้งวงจรป้องกันที่เหมาะสมเพื่อทนต่อกระแสไฟฟ้าที่พุ่งอย่างกะทันหันระหว่างการเปลี่ยนขั้วหรือในสภาวะอุณหภูมิแวดล้อมที่ค่อนข้างสูง

โครงสร้างสวิตช์แบบสองทิศทาง

สวิตช์แบบสองทิศทางถูกสร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อ MOSFETs หรือ IGBTs กลับไปเป็นอนุกรมดังแสดงในรูปต่อไปนี้

ที่นี่เราสามารถเห็นวิธีการพื้นฐานสามวิธีซึ่งสามารถกำหนดค่าสวิตช์สองทิศทางได้

ในแผนภาพแรก MOSFET P-channel สองตัวได้รับการกำหนดค่าด้วยแหล่งที่มาที่เชื่อมต่อกลับไปด้านหลังซึ่งกันและกัน

ในแผนภาพที่สองสามารถมองเห็น MOSFETS N-channel สองช่องที่เชื่อมต่อกันในแหล่งที่มาเพื่อใช้งานการออกแบบ BPS

ในการกำหนดค่าที่สาม MOSFET N-channel สองช่องจะแสดงท่อระบายน้ำที่แนบมาเพื่อระบายน้ำสำหรับการดำเนินการการนำไฟฟ้าแบบสองทิศทางที่ต้องการ

รายละเอียดการทำงานพื้นฐาน

ลองดูตัวอย่างของการกำหนดค่าที่สองซึ่ง MOSFET จะเชื่อมต่อกับแหล่งที่มากลับไปข้างหลังสมมติว่ามีการใช้แรงดันไฟฟ้าบวกจาก 'A' และค่าลบเป็น 'B' ดังที่แสดงด้านล่าง:

ในกรณีนี้เราจะเห็นได้ว่าเมื่อใช้แรงดันเกตกระแสจาก 'A' จะได้รับอนุญาตให้ไหลผ่าน MOSFET ด้านซ้ายจากนั้นผ่านไดโอดแบบเอนเอียงไปข้างหน้า D2 ของ MOSFET ด้านขวาและในที่สุดการนำก็เสร็จสมบูรณ์ที่จุด 'B '.

เมื่อขั้วแรงดันไฟฟ้ากลับจาก 'B' เป็น 'A' มอสเฟตและไดโอดภายในจะพลิกตำแหน่งดังที่แสดงในภาพประกอบต่อไปนี้:

ในสถานการณ์ข้างต้น MOSFET ด้านขวาของ BPS จะเปิดพร้อมกับ D1 ซึ่งเป็นไดโอดภายในของ MOSFET ด้านซ้ายเพื่อเปิดใช้งานการนำไฟฟ้าจาก 'B' ถึง 'A'

การสร้างสวิตช์สองทิศทางแบบไม่ต่อเนื่อง

ตอนนี้เรามาเรียนรู้วิธีสร้างสวิตช์สองทิศทางโดยใช้ส่วนประกอบแยกสำหรับแอปพลิเคชันการสลับสองทางที่ตั้งใจไว้

แผนภาพต่อไปนี้แสดงการใช้งาน BPS พื้นฐานโดยใช้ P-channel MOSFET:

การใช้ P-Channel MOSFETS

เมื่อจุด 'A' เป็นบวกไดโอดของร่างกายด้านซ้ายจะเอนเอียงไปข้างหน้าและดำเนินการตามด้วย p-MOSFET ด้านขวาเพื่อให้การนำไฟฟ้าที่จุด 'B' เสร็จสมบูรณ์

เมื่อจุด 'B' เป็นบวกส่วนประกอบด้านตรงข้ามจะทำงานสำหรับการนำไฟฟ้า

MOSFET N-channel ที่ต่ำกว่าจะควบคุมสถานะเปิด / ปิดของอุปกรณ์ BPS ผ่านคำสั่งประตูเปิด / ปิดที่เหมาะสม

ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุจะป้องกันอุปกรณ์ BPS จากกระแสไฟกระชากที่เป็นไปได้

อย่างไรก็ตามการใช้ P-channel MOSFET ไม่เคยเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการนำ BPS ไปใช้ เนื่องจาก RDSon สูง . ดังนั้นสิ่งเหล่านี้อาจต้องใช้อุปกรณ์ที่ใหญ่กว่าและราคาแพงกว่าเพื่อชดเชยความร้อนและความไร้ประสิทธิภาพอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องเมื่อเทียบกับการออกแบบ BPS ที่ใช้ N-channel

การใช้ N-Channel MOSFETS

ในการออกแบบครั้งต่อไปเราจะเห็นวิธีที่ดีที่สุดในการใช้งานวงจร BPS โดยใช้ N-channel MOSFETs

ในวงจรสวิตช์แบบสองทิศทางแบบไม่ต่อเนื่องนี้จะใช้ N-chanel MOSFET ที่เชื่อมต่อแบบ back-to-back วิธีนี้ต้องการวงจรขับภายนอกเพื่ออำนวยความสะดวกในการนำกำลังสองทางจาก A ไป B และในทางกลับกัน

ไดโอด Schottky BA159 ใช้ในการมัลติเพล็กซ์อุปกรณ์สิ้นเปลืองจาก A และ B เพื่อเปิดใช้งานวงจรปั๊มประจุเพื่อให้ปั๊มประจุสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับ MOSFET ช่อง N

สามารถสร้างปั๊มประจุไฟฟ้าได้โดยใช้มาตรฐาน วงจรแรงดันไฟฟ้าสองเท่า หรือขนาดเล็ก เพิ่มการสลับ วงจร.

3.3 V ใช้สำหรับเปิดปั๊มประจุไฟฟ้าอย่างเหมาะสมที่สุดในขณะที่ไดโอด Schottky รับแรงดันเกตโดยตรงจากอินพุตตามลำดับ (A / B) แม้ว่าแหล่งจ่ายอินพุตจะต่ำถึง 6 V 6 V นี้จะเพิ่มเป็นสองเท่าโดย ชาร์จ ump สำหรับประตู MOSFET

MOSFET N-channel ด้านล่างใช้สำหรับควบคุมการเปิด / ปิดสวิตช์แบบสองทิศทางตามข้อกำหนดที่ต้องการ

ข้อเสียเพียงประการเดียวของการใช้ N-channel MOSFET เมื่อเทียบกับ P-channel ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้คือส่วนประกอบพิเศษเหล่านี้ที่อาจใช้พื้นที่เพิ่มเติมบน PCB อย่างไรก็ตามข้อเสียนี้มีมากกว่า R (on) ที่ต่ำของ MOSFET และการนำไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงและ MOSFET ขนาดเล็กราคาประหยัด

กล่าวได้ว่าการออกแบบนี้ไม่ได้ให้การป้องกันที่มีประสิทธิภาพใด ๆ จากความร้อนดังนั้นจึงอาจพิจารณาอุปกรณ์ขนาดใหญ่สำหรับการใช้งานพลังงานสูง

สรุป

สวิตช์แบบสองทิศทางสามารถสร้างได้อย่างง่ายดายโดยใช้ MOSFET ที่เชื่อมต่อกลับไปด้านหลัง สวิตช์เหล่านี้สามารถนำไปใช้กับแอพพลิเคชั่นต่างๆที่ต้องการการสลับโหลดแบบสองทิศทางเช่นจากแหล่งจ่ายไฟ AC

อ้างอิง:

TPS2595xx, 2.7 V ถึง 18 V, 4-A, 34-mΩ eFuse พร้อมแผ่นข้อมูลการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินอย่างรวดเร็ว

เครื่องมือคำนวณการออกแบบ TPS2595xx

อุปกรณ์ E-fuse