この投稿では、2点間で双方向に負荷を動作させるために使用できるMOSFET双方向パワースイッチについて学習します。これは、2つのNチャネルまたはPチャネルMOSFETを指定された電圧ラインと直列に背中合わせに接続することによって簡単に実行されます。
双方向スイッチとは
双方向電源スイッチ(BPS)は、を使用して構築されたアクティブデバイスです。 MOSFETまたはIGBT 、これは、電源がオンのときに双方向の双方向の電流の流れを可能にし、電源がオフのときに双方向の電圧の流れをブロックします。
“電気リレーの原理と用途 ”
双方向で導通できるため、双方向スイッチを比較して、通常のようにシンボル化できます。 ON / OFFスイッチ 以下に示すように:
ここでは、スイッチのポイント「A」に正の電圧が印加され、ポイント「B」に負の電位が印加され、電流が「A」から「B」に流れることがわかります。電圧の極性を変えるだけで、動作を逆にすることができます。つまり、BPSのポイント「A」と「B」は、交換可能な入力/出力端子として使用できます。
BPSの最良のアプリケーション例は、すべてのMOSFETベースのコマーシャルで見ることができます。 SSR設計 。
特徴
に パワーエレクトロニクス 、双方向スイッチ(BPS)の特性は、オン状態で正または負の電流を伝導し、オフ状態で正または負の電流をブロックする機能を備えた4象限スイッチとして定義されます。 BPSの4象限ON / OFF図を以下に示します。
上の図では、象限は緑色で示されています。これは、供給電流の極性や波形に関係なく、デバイスのオン状態を示しています。
上の図で、赤い直線は、BPSデバイスがオフ状態にあり、電圧または波形の極性に関係なく、導通がまったくないことを示しています。
BPSが持つべき主な機能
- 双方向スイッチデバイスは、AからBおよびBからAにまたがる両側からの簡単で迅速な電力伝導を可能にするために、高度に適応可能でなければなりません。
- DCアプリケーションで使用する場合、BPSは、負荷の電圧レギュレーションを改善するために、最小のオン状態抵抗(Ron)を示す必要があります。
- BPSシステムには、極性変更中または比較的高い周囲温度条件での突入電流に耐えるための適切な保護回路を装備する必要があります。
双方向スイッチ構造
双方向スイッチは、次の図に示すように、MOSFETまたはIGBTを連続して直列に接続することによって構成されます。
ここでは、双方向スイッチを構成できる3つの基本的な方法を見ることができます。
最初の図では、2つのPチャネルMOSFETが、ソースが互いに背中合わせに接続された状態で構成されています。
2番目の図では、BPS設計を実装するために2つのNチャネルMOSFETがソース間に接続されているのがわかります。
3番目の構成では、2つのNチャネルMOSFETが、意図された双方向導通を実行するためにドレイン間で接続されて示されています。
基本的な機能の詳細
以下に示すように、MOSFETがソースと背中合わせに結合されている2番目の構成の例を見てみましょう。正の電圧が「A」から印加され、負の電圧が「B」に印加されると想像してください。
この場合、ゲート電圧が印加されると、「A」からの電流が左側のMOSFETを流れ、次に右側のMOSFETの内部順方向バイアスダイオードD2を流れ、最後に「B」で導通が完了することがわかります。 '。
電圧の極性が「B」から「A」に反転すると、次の図に示すように、MOSFETとその内部ダイオードの位置が反転します。
上記の状況では、BPSの右側のMOSFETが左側のMOSFETの内部ボディダイオードであるD1とともにオンになり、「B」から「A」への導通が可能になります。
ディスクリート双方向スイッチの作成
次に、目的の双方向スイッチングアプリケーション用にディスクリートコンポーネントを使用して双方向スイッチを構築する方法を学びましょう。
次の図は、PチャネルMOSFETを使用した基本的なBPSの実装を示しています。
PチャネルMOSFETの使用
ポイント「A」が正の場合、左側のボディダイオードが順方向にバイアスされて導通し、続いて右側のp-MOSFETが導通して、ポイント「B」で導通が完了します。
点「B」が正の場合、反対側のそれぞれのコンポーネントが導通のためにアクティブになります。
下部のNチャネルMOSFETは、適切なON / OFFゲートコマンドを介してBPSデバイスのON / OFF状態を制御します。
抵抗とコンデンサは、突入電流サージの可能性からBPSデバイスを保護します。
ただし、PチャネルMOSFETを使用することは、BPSを実装する理想的な方法ではありません。 RDSonが高いため 。したがって、これらは、NチャネルベースのBPS設計と比較して、熱およびその他の関連する非効率性を補償するために、より大きく高価なデバイスを必要とする場合があります。
NチャネルMOSFETの使用
次の設計では、NチャネルMOSFETを使用してBPS回路を実装する理想的な方法を示します。
このディスクリート双方向スイッチ回路では、背中合わせに接続されたNチャンネルMOSFETが使用されます。この方法では、AからBへの双方向の電力伝導とその逆を容易にするための外部ドライバ回路が必要です。
ショットキーダイオードBA159は、AとBからの電源を多重化してチャージポンプ回路をアクティブにするために使用されます。これにより、チャージポンプはNチャネルMOSFETに必要な量のターンオン電圧を生成できます。
チャージポンプは、標準を使用して構築できます 電圧ダブラ回路 または小さな ブーストスイッチング 回路。
3.3 Vは、チャージポンプに最適に電力を供給するために適用されますが、ショットキーダイオードは、入力電源が6 Vと低い場合でも、それぞれの入力(A / B)から直接ゲート電圧を取得します。この6 Vは、 MOSFETゲートのチャージポンプ。
下部のNチャネルMOSFETは、必要な仕様に従って双方向スイッチのオン/オフスイッチングを制御するためのものです。
前述のPチャネルと比較してNチャネルMOSFETを使用することの唯一の欠点は、PCB上の余分なスペースを消費する可能性があるこれらの余分なコンポーネントです。ただし、この欠点は、MOSFETの低いR(on)と非常に効率的な導通、および低コストの小型MOSFETによって打ち負かされます。
とは言うものの、この設計は過熱に対する効果的な保護も提供しないため、高電力アプリケーションには特大のデバイスを検討することができます。
結論
双方向スイッチは、連続して接続されたMOSFETをいくつか使用して非常に簡単に構築できます。これらのスイッチは、AC電源など、負荷の双方向スイッチングを必要とするさまざまなアプリケーションに実装できます。
参照:
TPS2595xx、2.7 V〜18 V、4-A、34mΩeFuse、高速過電圧保護データシート
Eヒューズデバイス
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