تبديل ثنائي الاتجاه

تبديل ثنائي الاتجاه

في هذا المنشور ، نتعرف على مفاتيح الطاقة ثنائية الاتجاه MOSFET ، والتي يمكن استخدامها لتشغيل حمل عبر نقطتين ثنائي الاتجاه. يتم ذلك ببساطة عن طريق توصيل اثنين من MOSFETs أو MOSFETs ذات القناة P إلى الخلف في سلسلة مع خط الجهد المحدد.



ما هو مفتاح ثنائي الاتجاه

مفتاح الطاقة ثنائي الاتجاه (BPS) هو جهاز نشط تم إنشاؤه باستخدام MOSFETs أو IGBTs ، والذي يسمح بتدفق ثنائي الاتجاه للتيار عند تشغيله ، ويمنع التدفق ثنائي الاتجاه للجهد عند إيقاف التشغيل.

نظرًا لأنه قادر على العمل عبر كلا الاتجاهين ، يمكن مقارنة التبديل ثنائي الاتجاه ورمزه على أنه عادي مفتاح تشغيل / إيقاف كما هو مبين أدناه:





هنا ، يمكننا أن نرى جهدًا موجبًا مطبقًا عند النقطة 'أ' من المفتاح ويتم تطبيق جهد سلبي عند النقطة 'ب' ، مما يسمح للتيار بالتدفق عبر 'أ' إلى 'ب'. يمكن عكس الإجراء ببساطة عن طريق تغيير قطبية الجهد. بمعنى ، يمكن استخدام النقطتين 'أ' و 'ب' من BPS كمحطات إدخال / إخراج قابلة للتبديل.

يمكن رؤية أفضل مثال لتطبيق BPS في جميع الإعلانات التجارية القائمة على MOSFET تصاميم SSR .



صفات

في إلكترونيات القوى ، يتم تعريف خصائص المحول ثنائي الاتجاه (BPS) على أنه مفتاح رباعي رباعي له القدرة على إجراء تيار موجب أو سلبي في حالة التشغيل ، وكذلك حظر التيار الموجب أو السالب في حالة إيقاف التشغيل. يظهر أدناه مخطط التشغيل / الإيقاف المكون من أربعة أرباع لـ BPS.

في الرسم البياني أعلاه ، تتم الإشارة إلى الأرباع باللون الأخضر مما يشير إلى حالة تشغيل الأجهزة بغض النظر عن قطبية تيار الإمداد أو شكل الموجة.

في الرسم البياني أعلاه ، يشير الخط الأحمر المستقيم إلى أن أجهزة BPS في حالة إيقاف التشغيل ولا تقدم أي توصيل على الإطلاق بغض النظر عن قطبية الجهد أو شكل الموجة.

الميزات الرئيسية التي يجب أن تمتلكها BPS

  • يجب أن يكون جهاز التبديل ثنائي الاتجاه قابلاً للتكيف بدرجة عالية لتمكين توصيل الطاقة بسهولة وسرعة من كلا الجانبين ، أي عبر A إلى B ومن B إلى A.
  • عند استخدامها في تطبيق التيار المستمر ، يجب أن تظهر BPS الحد الأدنى من مقاومة الحالة (Ron) لتحسين تنظيم الجهد للحمل.
  • يجب أن يكون نظام BPS مزودًا بدائرة حماية مناسبة لتحمل تيار الاندفاع المفاجئ أثناء تغيير القطبية ، أو في ظروف درجات الحرارة المحيطة المرتفعة نسبيًا.

بناء التبديل ثنائي الاتجاه

يتم إنشاء مفتاح ثنائي الاتجاه عن طريق توصيل MOSFETs أو IGBTs بالعكس في السلسلة كما هو موضح في الأشكال التالية.

هنا ، يمكننا أن نشهد ثلاث طرق أساسية يمكن من خلالها تكوين مفتاح ثنائي الاتجاه.

في الرسم التخطيطي الأول ، تم تكوين وحدتي MOSFET من النوع P مع توصيل مصادرهما ببعضهما البعض.

في الرسم البياني الثاني ، يمكن رؤية اثنين من MOSFETS ذات القناة N متصلة عبر مصادرها لتنفيذ تصميم BPS.

في التكوين الثالث ، يتم عرض وحدتي MOSFET من N-channel مرفقتين بالتصريف من أجل تنفيذ التوصيل ثنائي الاتجاه المقصود.

تفاصيل العمل الأساسية

لنأخذ مثال التكوين الثاني ، حيث يتم ربط MOSFETs بمصادرها من الخلف إلى الوراء ، فلنتخيل تطبيق الجهد الموجب من 'A' والسالب إلى 'B' ، كما هو موضح أدناه:

في هذه الحالة ، يمكننا أن نرى أنه عند تطبيق جهد البوابة ، يُسمح للتيار من 'A' بالتدفق عبر MOSFET الأيسر ، ثم من خلال الصمام الثنائي D2 الداخلي المنحاز للأمام من الجانب الأيمن من MOSFET ، وأخيراً يكتمل التوصيل عند النقطة 'B '.

عندما يتم عكس قطبية الجهد من 'B' إلى 'A' ، فإن MOSFETs وثنائياتها الداخلية تقلب مواضعها كما هو موضح في الرسم التوضيحي التالي:

في الحالة المذكورة أعلاه ، يعمل الجانب الأيمن من MOSFET لمفاتيح BPS مع D1 وهو الصمام الثنائي الداخلي للجسم من الجانب الأيسر MOSFET ، لتمكين التوصيل من 'B' إلى 'A'.

عمل مفاتيح منفصلة ثنائية الاتجاه

الآن دعنا نتعلم كيف يمكن إنشاء مفتاح ثنائي الاتجاه باستخدام مكونات منفصلة لتطبيق تبديل ثنائي الاتجاه مقصود.

يوضح الرسم البياني التالي تنفيذ BPS الأساسي باستخدام P-channel MOSFETs:

باستخدام P-Channel MOSFETS

دارة تبديل ثنائية الاتجاه باستخدام دوائر MOSFET ذات القناة p

عندما تكون النقطة 'A' موجبة ، فإن الصمام الثنائي للجانب الأيسر يتحيز للأمام وينفذ ، متبوعًا بالجانب الأيمن p-MOSFET ، لإكمال التوصيل عند النقطة 'B'.

عندما تكون النقطة 'ب' موجبة ، تصبح المكونات الخاصة بالجانب المقابل نشطة للتوصيل.

يتحكم MOSFET N-channel السفلية في حالات التشغيل / الإيقاف لجهاز BPS من خلال أوامر بوابة التشغيل / الإيقاف المناسبة.

يحمي المقاوم والمكثف أجهزة BPS من اندفاع تيار محتمل.

ومع ذلك ، فإن استخدام P-channel MOSFET ليس هو الطريقة المثالية لتنفيذ BPS بسبب ارتفاع مستوى RDSon . لذلك قد تتطلب هذه الأجهزة الأكبر والأكثر تكلفة للتعويض عن الحرارة وأوجه عدم الكفاءة الأخرى ذات الصلة ، مقارنة بتصميم BPS القائم على القناة N.

باستخدام N-Channel MOSFETS

في التصميم التالي نرى طريقة مثالية لتنفيذ دائرة BPS باستخدام N-channel MOSFETs.

في دائرة التبديل ثنائية الاتجاه المنفصلة هذه ، يتم استخدام MOSFETs N-chanel المتصلة من الخلف إلى الخلف. تتطلب هذه الطريقة دائرة تشغيل خارجية لتسهيل توصيل الطاقة في اتجاهين من A إلى B والعكس.

تُستخدم الثنائيات Schottky BA159 لمضاعفة الإمدادات من A و B لتنشيط دائرة مضخة الشحن ، بحيث تكون مضخة الشحن قادرة على توليد الكمية اللازمة من جهد التشغيل لوحدات MOSFET ذات القناة N.

يمكن بناء مضخة الشحن باستخدام معيار دائرة مضاعف الجهد أو صغير تعزيز التبديل دائرة كهربائية.

يتم استخدام 3.3 فولت لتشغيل مضخة الشحن على النحو الأمثل ، بينما تستمد صمامات شوتكي الثنائية جهد البوابة مباشرة من المدخلات المعنية (أ / ب) حتى لو كان إمداد الدخل منخفضًا مثل 6 فولت. شحن ump لبوابات MOSFET.

إن MOSFET ذو القناة N السفلية مخصص للتحكم في تبديل ON / OFF للمفتاح ثنائي الاتجاه وفقًا للمواصفات المرغوبة.

العيب الوحيد لاستخدام N-channel MOSFET مقارنة بالقناة P التي تمت مناقشتها سابقًا هي هذه المكونات الإضافية التي قد تستهلك مساحة إضافية على PCB. ومع ذلك ، فإن هذا العيب يفوقه انخفاض R (on) من MOSFETs والتوصيل عالي الكفاءة ، ودوائر MOSFET الصغيرة منخفضة التكلفة.

ومع ذلك ، لا يوفر هذا التصميم أيضًا أي حماية فعالة ضد التسخين الزائد ، وبالتالي يمكن اعتبار الأجهزة كبيرة الحجم لتطبيقات الطاقة العالية.

خاتمة

يمكن إنشاء مفتاح ثنائي الاتجاه بسهولة باستخدام عدة دوائر MOSFET متصلة ببعضها البعض. يمكن تنفيذ هذه المفاتيح للعديد من التطبيقات المختلفة التي تتطلب تبديلًا ثنائي الاتجاه للحمل ، مثل من مصدر التيار المتردد.

مراجع:

TPS2595xx ، 2.7 فولت إلى 18 فولت ، 4-A ، 34-mΩ eFuse مع ورقة بيانات حماية ضد الجهد الزائد السريع

أداة حساب تصميم TPS2595xx

أجهزة الصمامات الإلكترونية




السابق: دوائر المقارنة باستخدام IC 741 ، IC 311 ، IC 339 التالي: تصحيح الصمام الثنائي: نصف موجة ، موجة كاملة ، PIV