MOSFETボディダイオードを使用してインバーターのバッテリーを充電する

この投稿では、MOSFETの内部ボディダイオードを利用して、インバータトランスとして使用されているのと同じトランスを介してバッテリを充電できるようにする方法を理解しようとしています。

この記事では、フルブリッジインバーターの概念を調査し、4つのMOSFETの内蔵ダイオードを接続されたバッテリーの充電にどのように適用できるかを学びます。

フルブリッジまたはHブリッジインバーターとは

私の以前の投稿のいくつかで私たちは議論しました フルブリッジインバータ回路 そして彼らの動作原理に関して。

上の画像に示されているように、基本的に、フルブリッジインバーターには、出力負荷に接続された4つのMOSFETのセットがあります。対角線上に接続されたMOSFETペアは、外部を介して交互に切り替えられます オシレーター 、バッテリーからの入力DCを負荷の交流またはACに変換します。

負荷は通常、 変成器 、その低電圧一次側は、意図されたDCからACへの反転のためにMOSFETブリッジに接続されています。

通常、 4NチャネルMOSFET ベースのHブリッジトポロジは、フルブリッジインバータに適用されます。これは、このトポロジが、コンパクトさと電力出力比の点で最も効率的な動作を提供するためです。

4 Nチャネルインバーターの使用は専門に依存しますが ドライバーIC と ブートストラップ 、それでも効率は複雑さを上回っているため、これらのタイプはすべての現代で一般的に採用されています フルブリッジインバーター 。

MOSFET内部ボディダイオードの目的

現代のほとんどすべてのMOSFETに存在する内部ボディダイオードは、主に デバイスを保護する 接続されたものから生成された逆EMFスパイクから 誘導性負荷 、変圧器、モーター、ソレノイドなど。

MOSFETドレインを介して誘導性負荷がオンになると、電気エネルギーは負荷内に瞬時に蓄積され、次の瞬間に MOSFETがオフになります 、この保存されたEMFは、MOSFETのソースからドレインに逆極性でキックバックされ、MOSFETに恒久的な損傷を引き起こします。

デバイスのドレイン/ソースの両端に内部ボディダイオードが存在することで、この逆起電力スパイクがダイオードを通る直接パスを許可することで危険を阻止し、MOSFETを故障から保護します。

インバーターバッテリーの充電にMOSFETボディダイオードを使用する

インバーターはバッテリーなしでは不完全であり、インバーターの出力を補充してスタンバイ状態に保つために、インバーターのバッテリーは必然的に頻繁に充電する必要があります。

ただし、バッテリーの充電には変圧器が必要です。変圧器は、最適な状態を確保するために高ワットタイプである必要があります。 バッテリーの電流 。

インバータトランスと組み合わせて追加のトランスを使用すると、非常にかさばり、コストもかかる可能性があります。したがって、 同じインバータトランスが充電に適用されます バッテリーは非常に有益に聞こえます。

MOSFETの内部ボディダイオードの存在は、幸いなことに、いくつかの簡単な方法で、インバーターモードとバッテリー充電器モードでトランスを切り替えることを可能にします。 リレーの切り替え シーケンス。

基本的な作業コンセプト

下の図では、各MOSFETに内部ボディダイオードが付属しており、ドレイン/ソースピン間に接続されていることがわかります。

ダイオードのアノードはソースピンに接続され、カソードピンはデバイスのドレインピンに関連付けられています。また、MOSFETはブリッジネットワークで構成されているため、ダイオードも基本的に構成されていることがわかります。 フルブリッジ整流器 ネットワーク形式。

いくつかを実装するいくつかのリレーが採用されています 迅速な切り替え グリッドACがMOSFETボディダイオードを介してバッテリーを充電できるようにするため。

この ブリッジ整流器 MOSFET内部ダイオードのネットワーク形成により、実際には、単一のトランスをインバータトランスおよび充電器トランスとして使用するプロセスが非常に簡単になります。

MOSFETボディダイオードを流れる電流の方向

次の画像は、変圧器のACをDC充電電圧に整流するためにボディダイオードを流れる電流の方向を示しています。

AC電源では、変圧器の配線の極性が交互に変わります。左の画像に示すように、STARTをプラス線とすると、オレンジ色の矢印は、D1、バッテリー、D3を経由して、FINISHまたは変圧器のマイナス線に戻る電流のフローパターンを示します。

次のACサイクルでは、極性が反転し、電流は青い矢印で示されているようにボディダイオードD4、バッテリー、D2を経由して移動し、FINISHまたは変圧器巻線の負の端に戻ります。これは交互に繰り返され、両方のACサイクルをDCに変換し、バッテリーを充電します。

ただし、MOSFETもシステムに関与しているため、これらのデバイスがプロセス中に損傷しないように細心の注意を払う必要があります。これには、完全なインバータ/充電器の切り替え操作が必要です。

実用的なデザイン

次の図は、MOSFETボディダイオードを整流器として実装するために設定された実際の設計を示しています。 インバーターバッテリーの充電 、リレー切り替えスイッチ付き。

充電モードで、トランスACでボディダイオードを使用している間、MOSFETの100％の安全性を確保するには、MOSFETゲートをグランド電位に保持し、電源DCから完全に遮断する必要があります。

このために、すべてのMOSFETのゲート/ソースピン間に1 kの抵抗を接続し、ドライバーICのVcc電源ラインと直列にカットオフリレーを配置するという2つの実装を行います。

カットオフリレーは、N / C接点がドライバIC電源入力と直列に接続されたSPDTリレー接点です。 AC電源がない場合、N / C接点はアクティブなままであり、MOSFETに電力を供給するためにバッテリ電源がドライバICに到達できるようにします。

主電源ACが利用可能な場合、これ リレー切り替え N / O接点に接続して、IC Vccを電源から遮断し、正のドライブからのMOSFETの完全な遮断を保証します。

私たちは別のセットを見ることができます リレー接点 変圧器の220V主電源側に接続されています。この巻線は、インバータの出力220V側を構成します。巻線端はDPDTリレーの極に接続されており、そのN / OおよびN / C接点は、それぞれメイングリッド入力ACおよび負荷で構成されています。

メイングリッドACがない場合、システムはインバーターモードで動作し、電力出力はDPDTのN / C接点を介して負荷に供給されます。

ACグリッド入力が存在する場合、リレーはN / O接点に対してアクティブになり、グリッドACが変圧器の220V側に電力を供給できるようにします。これにより、変圧器のインバーター側に電力が供給され、接続されたバッテリーを充電するために、電流がMOSFETのボディダイオードを通過できるようになります。

DPDTリレーがアクティブになる前に、SPDTリレーはドライバICのVccを電源から遮断することになっています。 MOSFETとの健全な動作の100％の安全性を保証するために、SPDTリレーとDPDTリレー間のアクティブ化のこのわずかな遅延を確保する必要があります。 インバーター/充電モード ボディダイオードを介して。

リレー切り替え操作

上で示唆したように、主電源が利用可能な場合、Vcc側のSPDTリレー接点は、DPDTリレーの数ミリ秒前に変圧器側でアクティブになる必要があります。ただし、主電源入力に障害が発生すると、両方のリレーがほぼ同時にオフになる必要があります。これらの条件は、次の回路を使用して実装できます。

ここでは、リレーコイルの動作DC電源は標準から取得されます AC-DCアダプター 、グリッドメインに接続されています。

これは、グリッドACが使用可能な場合、AC / DCアダプターがリレーの電源をオンにすることを意味します。 DC電源に直接接続されているSPDTリレーは、DPDTリレーが作動する前にすぐに作動します。 DPDTリレーは、10オームと470 uFのコンデンサが存在するため、数ミリ秒後にアクティブになります。これにより、トランスが220 V側のグリッドAC入力に応答する前に、MOSFETドライバICが無効になります。

主電源ACに障害が発生すると、470uFのコンデンサが直列逆バイアスダイオードのためにDPDTに影響を与えないため、両方のリレースイッチがほぼ同時にオフになります。

これで、単一の共通トランスを介してインバータバッテリを充電するためのMOSFETボディダイオードの使用に関する説明は終わりです。うまくいけば、このアイデアにより、多くの愛好家が、単一の共通変圧器を使用して、バッテリー充電器を内蔵した安価でコンパクトな自動インバーターを構築できるようになります。