Dans cet article, nous apprenons les commutateurs d'alimentation bidirectionnels MOSFET, qui peuvent être utilisés pour faire fonctionner une charge sur deux points de manière bidirectionnelle. Cela se fait simplement en connectant deux MOSFET à canal N ou à canal P dos à dos en série avec la ligne de tension spécifiée.
Qu'est-ce qu'un commutateur bidirectionnel
Un interrupteur d'alimentation bidirectionnel (BPS) est un appareil actif construit en utilisant MOSFET ou IGBT , qui permet un flux bidirectionnel de courant à la mise sous tension et bloque un flux bidirectionnel de tension à la mise hors tension.
Puisqu'il est capable de conduire dans les deux sens, un commutateur bidirectionnel peut être comparé et symbolisé comme un Interrupteur marche / arrêt comme indiqué ci-dessous:
Ici, nous pouvons voir qu'une tension positive est appliquée au point «A» de l'interrupteur et un potentiel négatif est appliqué au point «B», ce qui permet au courant de circuler entre «A» et «B». L'action peut être inversée en changeant simplement la polarité de la tension. Cela signifie que les points «A» et «B» du BPS peuvent être utilisés comme bornes d'entrée / sortie interchangeables.
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Caractéristiques
Dans Électronique de puissance , les caractéristiques d'un commutateur bidirectionnel (BPS) sont définies comme un commutateur à quatre quadrants ayant la capacité de conduire un courant positif ou négatif à l'état ON et de bloquer également le courant positif ou négatif à l'état OFF. Le diagramme ON / OFF à quatre quadrants pour un BPS est illustré ci-dessous.
Dans le diagramme ci-dessus, les quadrants sont indiqués en vert qui indique l'état ON des appareils quelle que soit la polarité du courant d'alimentation ou la forme d'onde.
Dans le diagramme ci-dessus, la ligne droite rouge indique que les dispositifs BPS sont à l'état OFF et n'offre absolument aucune conduction quelle que soit la polarité de la tension ou la forme d'onde.
Caractéristiques principales qu'un BPS devrait avoir
- Un dispositif de commutation bidirectionnel doit être hautement adaptable pour permettre une conduction de puissance facile et rapide des deux côtés, c'est-à-dire entre A vers B et B vers A.
- Lorsqu'il est utilisé dans une application CC, un BPS doit présenter une résistance minimale sur l'état (Ron) pour une régulation de tension améliorée de la charge.
- Un système BPS doit être équipé d'un circuit de protection approprié pour résister à un courant de pointe soudain lors d'un changement de polarité ou à des conditions de température ambiante relativement élevées.
Construction de commutateur bidirectionnel
Un commutateur bidirectionnel est construit en connectant des MOSFET ou des IGBT dos à dos en série, comme le montrent les figures suivantes.
Ici, nous pouvons assister à trois méthodes fondamentales par lesquelles un commutateur bidirectionnel peut être configuré.
Dans le premier diagramme, deux MOSFET à canal P sont configurés avec leurs sources connectées dos à dos.
Dans le deuxième diagramme, deux MOSFETS à canal N peuvent être vus connectés à travers leurs sources pour implémenter une conception BPS.
Dans la troisième configuration, deux MOSFET à canal N sont représentés drain à drain attachés pour exécuter la conduction bidirectionnelle prévue.
Détails de fonctionnement de base
Prenons l'exemple de la deuxième configuration, dans laquelle les MOSFET sont joints avec leurs sources dos à dos, imaginons qu'une tension positive est appliquée à partir de `` A '' et négative à `` B '', comme indiqué ci-dessous:
Dans ce cas, nous pouvons voir que lorsque la tension de grille est appliquée, le courant de 'A' est autorisé à circuler à travers le MOSFET gauche, puis à travers la diode polarisée en direct interne D2 du MOSFET côté droit, et enfin la conduction se termine au point 'B ».
Lorsque la polarité de tension est inversée de 'B' à 'A', les MOSFET et leurs diodes internes inversent leurs positions comme indiqué dans l'illustration suivante:
Dans la situation ci-dessus, le MOSFET du côté droit du BPS s'allume avec D1 qui est la diode de corps interne du MOSFET du côté gauche, pour permettre la conduction de «B» à «A».
Création de commutateurs bidirectionnels discrets
Voyons maintenant comment un commutateur bidirectionnel peut être construit à l'aide de composants discrets pour une application de commutation bidirectionnelle prévue.
Le diagramme suivant montre l'implémentation de base du BPS à l'aide de MOSFET à canal P:
Utilisation des MOSFETS à canal P
Lorsque le point «A» est positif, la diode du corps du côté gauche est polarisée en direct et conduit, suivie du p-MOSFET du côté droit, pour terminer la conduction au point «B».
Lorsque le point «B» est positif, les composants respectifs du côté opposé deviennent actifs pour la conduction.
Le MOSFET à canal N inférieur contrôle les états ON / OFF du dispositif BPS via des commandes de porte ON / OFF appropriées.
La résistance et le condensateur protègent les dispositifs BPS d'une éventuelle surtension de courant de pointe.
Cependant, l'utilisation d'un MOSFET à canal P n'est jamais le moyen idéal d'implémenter un BPS en raison de leur RDSon élevé . Par conséquent, ceux-ci peuvent nécessiter des dispositifs plus gros et plus coûteux pour compenser la chaleur et d'autres inefficacités associées, par rapport à la conception BPS à canal N.
Utilisation des MOSFETS N-Channel
Dans la conception suivante, nous voyons une manière idéale d'implémenter un circuit BPS en utilisant des MOSFET à canal N.
Dans ce circuit de commutation bidirectionnel discret, des MOSFET à N canaux connectés dos à dos sont utilisés. Cette méthode nécessite un circuit d'attaque externe pour faciliter la conduction de puissance bidirectionnelle de A à B et inversement.
Les diodes Schottky BA159 sont utilisées pour multiplexer les alimentations de A et B pour activer le circuit de pompe de charge, de sorte que la pompe de charge soit capable de générer la tension d'activation nécessaire pour les MOSFET à canal N.
La pompe de charge pourrait être construite en utilisant un standard circuit doubleur de tension ou un petit commutation boost circuit.
Le 3,3 V est appliqué pour alimenter la pompe de charge de manière optimale, tandis que les diodes Schottky dérivent la tension de grille directement de l'entrée respective (A / B) même si l'alimentation d'entrée est aussi basse que 6 V.Ce 6 V est alors doublé par le charge ump pour les portes MOSFET.
Le MOSFET à canal N inférieur sert à commander la commutation ON / OFF du commutateur bidirectionnel selon les spécifications souhaitées.
Le seul inconvénient de l'utilisation d'un MOSFET à canal N par rapport au canal P discuté précédemment sont ces composants supplémentaires qui peuvent consommer de l'espace supplémentaire sur le PCB. Cependant, cet inconvénient est compensé par le faible R (on) des MOSFET et la conduction hautement efficace, et les MOSFET de petite taille à faible coût.
Cela dit, cette conception ne fournit pas non plus de protection efficace contre la surchauffe, et par conséquent, des dispositifs surdimensionnés peuvent être envisagés pour les applications à haute puissance.
Conclusion
Un commutateur bidirectionnel peut être assez facilement construit en utilisant deux MOSFET connectés dos à dos. Ces commutateurs peuvent être mis en œuvre pour de nombreuses applications différentes qui nécessitent une commutation bidirectionnelle de la charge, par exemple à partir d'une source CA.
Les références:
Outil de calcul de conception TPS2595xx
Dispositifs E-fuse
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