Neste post, aprendemos sobre os interruptores bidirecionais MOSFET, que podem ser usados para operar uma carga em dois pontos bidirecionalmente. Isso é feito simplesmente conectando dois MOSFETs de canal N ou canal P em série com a linha de tensão especificada.
O que é um interruptor bidirecional
Um interruptor de alimentação bidirecional (BPS) é um dispositivo ativo construído usando MOSFETs ou IGBTs, que permite um fluxo bidirecional de corrente quando ligado e bloqueia um fluxo bidirecional de tensão quando desligado.
Uma vez que é capaz de conduzir em ambos os sentidos, uma chave bidirecional pode ser comparada e simbolizada como uma chave ON/OFF normal, conforme mostrado abaixo:
Aqui, podemos ver que uma tensão positiva é aplicada no ponto “A” da chave e um potencial negativo é aplicado no ponto “B”, o que permite que a corrente flua de “A” para “B”. A ação pode ser revertida simplesmente alterando a polaridade da tensão. Ou seja, os pontos “A” e “B” do BPS podem ser usados como terminais de entrada/saída intercambiáveis.
O melhor exemplo de aplicação de um BPS pode ser visto em todos os projetos SSR comerciais baseados em MOSFET.
Características
Em Eletrônica de Potência, as características de uma chave bidirecional (BPS) são definidas como uma chave de quatro quadrantes com a capacidade de conduzir corrente positiva ou negativa no estado LIGADO e também bloquear corrente positiva ou negativa no estado DESLIGADO. O diagrama ON/OFF de quatro quadrantes para um BPS é mostrado abaixo.
No diagrama acima, os quadrantes são indicados na cor verde que indica o estado LIGADO dos dispositivos independentemente da polaridade da corrente de alimentação ou da forma de onda.
No diagrama acima, a linha reta vermelha indica que os dispositivos BPS estão no estado OFF e não oferecem absolutamente nenhuma condução, independentemente da polaridade da tensão ou da forma de onda.
Principais características que um BPS deve ter
- Um dispositivo de comutação bidirecional deve ser altamente adaptável para permitir a condução de energia fácil e rápida de ambos os lados, ou seja, de A para B e B para A.
- Quando usado em aplicação CC, um BPS deve apresentar resistência mínima no estado (Ron) para melhorar a regulação da tensão da carga.
- Um sistema BPS deve ser equipado com circuitos de proteção adequados para suportar correntes de pico repentinas durante uma mudança de polaridade ou em condições de temperatura ambiente relativamente altas.
Construção de Chave Bidirecional
Um switch bidirecional é construído conectando MOSFETs ou IGBTs em série, conforme mostrado nas figuras a seguir.
Aqui, podemos testemunhar três métodos fundamentais através dos quais um switch bidirecional pode ser configurado.
No primeiro diagrama, dois MOSFETs de canal P são configurados com suas fontes conectadas de costas umas às outras.
No segundo diagrama, dois MOSFETS de canal N podem ser vistos conectados em suas fontes para implementar um projeto BPS.
Na terceira configuração, dois MOSFETs de canal N são mostrados conectados dreno a dreno para executar a condução bidirecional pretendida.
Detalhes de Funcionamento Básico
Vamos pegar o exemplo da segunda configuração, em que os MOSFETs são unidos com suas fontes costas com costas, vamos imaginar que a tensão positiva é aplicada de “A”, e negativa para “B”, conforme mostrado abaixo:
Neste caso, podemos ver que quando a tensão da porta é aplicada, a corrente de “A” pode fluir através do MOSFET esquerdo, então através do diodo interno D2 polarizado direto do MOSFET do lado direito e, finalmente, a condução completa no ponto “B “.
Quando a polaridade da tensão é invertida de “B” para “A”, os MOSFETs e seus diodos internos invertem suas posições conforme mostrado na ilustração a seguir:
Na situação acima, o MOSFET do lado direito do BPS liga junto com D1 que é o diodo interno do corpo do MOSFET do lado esquerdo, para permitir a condução de “B” para “A”.
Fazendo interruptores bidirecionais discretos
Agora vamos aprender como um switch bidirecional pode ser construído usando componentes discretos para um aplicativo de comutação bidirecional pretendido.
O diagrama a seguir mostra a implementação básica do BPS usando MOSFETs de canal P:
Usando MOSFETS de canal P
Quando o ponto “A” é positivo, o diodo do corpo do lado esquerdo fica polarizado diretamente e conduz, seguido pelo p-MOSFET do lado direito, para completar a condução no ponto “B”.
Quando o ponto “B” é positivo, os respectivos componentes do lado oposto tornam-se ativos para a condução.
O MOSFET de canal N inferior controla os estados ON/OFF do dispositivo BPS através de comandos de porta ON/OFF apropriados.
O resistor e o capacitor protegem os dispositivos BPS de um possível surto de corrente de pico.
No entanto, usar MOSFET de canal P nunca é a maneira ideal de implementar um BPS devido ao seu alto RDson. Portanto, eles podem exigir dispositivos maiores e mais caros para compensar o calor e outras ineficiências relacionadas, em comparação com o projeto BPS baseado em canal N.
Usando MOSFETS de canal N
No próximo projeto vemos uma maneira ideal de implementar um circuito BPS usando MOSFETs de canal N.
Neste circuito de comutação bidirecional discreto, os MOSFETs N-canal conectados back-to-back são usados. Este método exige um circuito de driver externo para facilitar a condução de energia bidirecional de A para B e no sentido inverso.
Os diodos Schottky BA159 são usados para multiplexar as fontes de A e B para ativar o circuito da bomba de carga, de modo que a bomba de carga seja capaz de gerar a quantidade necessária de tensão de ativação para os MOSFETs de canal N.
A bomba de carga pode ser construída usando um circuito dobrador de tensão padrão ou um pequeno circuito de comutação de reforço.
Os 3,3 V são aplicados para alimentar a bomba de carga de forma otimizada, enquanto os diodos Schottky derivam a tensão da porta diretamente da respectiva entrada (A/B), mesmo que a alimentação de entrada seja tão baixa quanto 6 V. Esses 6 V são então duplicados pelo carga ump para as portas MOSFET.
O MOSFET de canal N inferior é para controlar a comutação ON/OFF do interruptor bidirecional de acordo com as especificações desejadas.
A única desvantagem de usar um MOSFET de canal N em comparação com o canal P discutido anteriormente são esses componentes extras que podem consumir espaço extra no PCB. No entanto, esta desvantagem é compensada pelo baixo R(on) dos MOSFETs e condução altamente eficiente, e MOSFETs de pequeno porte de baixo custo.
Dito isto, este design também não oferece nenhuma proteção eficaz contra superaquecimento e, portanto, dispositivos superdimensionados podem ser considerados para aplicações de alta potência.
Conclusão
Um switch bidirecional pode ser facilmente construído usando alguns MOSFETs back to back conectados. Esses interruptores podem ser implementados para muitas aplicações diferentes que exigem uma comutação bidirecional da carga, como da fonte CA.
Referências:
TPS2595xx, 2,7 V a 18 V, 4-A, 34 mΩ eFuse com folha de dados de proteção contra sobretensão rápida
Ferramenta de cálculo de projeto TPS2595xx
Dispositivos de fusíveis eletrônicos
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