Neste post tentamos entender como os diodos internos do corpo dos MOSFETs podem ser explorados para possibilitar o carregamento da bateria através do mesmo transformador que está sendo usado como transformador inversor.
Neste artigo, investigaremos um conceito de inversor de ponte completa e aprenderemos como os diodos embutidos de seus 4 MOSFETs podem ser aplicados para carregar uma bateria conectada.
O que é um inversor Full Bridge ou H-Bridge
Em alguns dos meus posts anteriores, discutimos circuitos inversores de ponte completa e sobre seu princípio de funcionamento.
Conforme mostrado na imagem acima, basicamente, em um inversor de ponte completa temos um conjunto de 4 MOSFETs conectados à carga de saída. Os pares MOSFET conectados diagonalmente são alternadamente comutados através de um oscilador externo, fazendo com que a entrada CC da bateria se transforme em uma corrente alternada ou CA para a carga.
A carga é normalmente na forma de um transformador, cujo primário de baixa tensão é conectado à ponte MOSFET para a inversão CC para CA pretendida.
Normalmente, a topologia de ponte H baseada em MOSFET de 4 canais N é aplicada em inversores de ponte completa, uma vez que esta topologia fornece o trabalho mais eficiente em termos de compacidade em relação à potência de saída.
Embora o uso de inversores de canal de 4 N dependa de CIs de driver especializados com bootstrapping, ainda assim a eficiência supera a complexidade, portanto, esses tipos são popularmente empregados em todos os modernos inversores de ponte completa.
Finalidade dos diodos de corpo interno MOSFET
Os diodos de corpo interno presentes em quase todos os MOSFETs modernos são introduzidos principalmente para proteger o dispositivo de picos de EMF reversos gerados a partir de uma carga indutiva conectada, como um transformador, motor, solenóide, etc.
Quando uma carga indutiva é ligada através do dreno do MOSFET, a energia elétrica é armazenada instantaneamente dentro da carga e, no momento seguinte, quando o MOSFET desliga, este EMF armazenado é retrocedido na polaridade reversa da fonte do MOSFET para o dreno, causando um danos permanentes ao MOSFET.
A presença de um diodo de corpo interno através do dreno/fonte do dispositivo frustra o perigo, permitindo que este pico de fem de volta um caminho direto através do diodo, protegendo assim o MOSFET de uma possível avaria.
Usando diodos de corpo MOSFET para carregar a bateria do inversor
Sabemos que um inversor está incompleto sem uma bateria, e uma bateria de inversor inevitavelmente requer carregamento frequente para manter a saída do inversor carregada e na condição de espera.
No entanto, carregar uma bateria requer um transformador, que precisa ser do tipo de alta potência para garantir a corrente ideal para a bateria.
Usar um transformador adicional em conjunto com o transformador inversor pode ser bastante volumoso e caro também. Portanto, encontrar uma técnica na qual o mesmo transformador inversor seja aplicado para carregar a bateria parece extremamente benéfico.
A presença dos diodos do corpo interno nos MOSFETs felizmente possibilita que o transformador seja comutado no modo inversor e também no modo carregador de bateria, através de algumas sequências fáceis de troca de relés.
Conceito Básico de Trabalho
No diagrama abaixo podemos ver que, cada MOSFET é acompanhado de um diodo de corpo interno, conectado através de seus pinos de dreno/fonte.
O ânodo do diodo está conectado ao pino de origem, enquanto o pino do cátodo está associado ao pino de drenagem do dispositivo. Também podemos ver que, como os MOSFETs são configurados em uma rede em ponte, os diodos também são configurados em um formato básico de rede retificadora em ponte completa.
Alguns relés são empregados que implementam algumas trocas rápidas para permitir que a rede CA carregue a bateria através dos diodos do corpo MOSFET.
Esta formação de rede retificadora de ponte dos diodos internos MOSFET realmente torna o processo de uso de um único transformador como transformador inversor e transformador carregador muito simples.
Direção de fluxo atual através de diodos de corpo MOSFET
A imagem a seguir mostra a direção do fluxo de corrente através dos diodos do corpo para retificar o transformador CA para uma tensão de carregamento CC
Com uma alimentação CA, os fios do transformador mudam sua polaridade alternadamente. Conforme mostrado na imagem à esquerda, assumindo o START como o fio positivo, as setas laranja indicam o padrão de fluxo de corrente via D1, bateria, D3 e volta para o FINISH ou o fio negativo do transformador.
Para o próximo ciclo CA, a polaridade se inverte e a corrente se move conforme indicado pelas setas azuis através do diodo do corpo D4, bateria, D2 e de volta ao FINISH ou ao terminal negativo do enrolamento do transformador. Isso continua se repetindo alternadamente, transformando ambos os ciclos de CA em CC e carregando a bateria.
No entanto, como os MOSFETs também estão envolvidos no sistema, deve-se ter muito cuidado para garantir que esses dispositivos não sejam danificados no processo, e isso exige uma operação perfeita de troca de inversor/carregador.
Projeto prático
O diagrama a seguir mostra um projeto prático configurado para a implementação de diodos de corpo MOSFET como retificador para carregar uma bateria de inversor, com comutadores de relé.
Para garantir 100% de segurança para os MOSFETs no modo de carregamento e ao usar os diodos do corpo com o transformador CA, as portas MOSFET devem ser mantidas no potencial de terra e completamente cortadas da alimentação CC.
Para isso, implementamos duas coisas, conectamos resistores de 1 k nos pinos gate/source de todos os MOSFETs e colocamos um relé de corte em série com a linha de alimentação Vcc do driver IC.
O relé de corte é um contato de relé SPDT com seus contatos N/C conectados em série com a entrada de alimentação IC do driver. Na ausência de rede CA, os contatos N/C permanecem ativos permitindo que a alimentação da bateria chegue ao CI do driver para alimentar os MOSFETs.
Quando a rede CA está disponível, este relé muda para os contatos N/O cortando o IC Vcc da fonte de alimentação, garantindo assim um corte total para os MOSFETs do inversor positivo.
Podemos ver outro conjunto de contatos de relé conectados ao lado da rede de 220 V do transformador. Este enrolamento constitui o lado de saída de 220V do inversor. As extremidades do enrolamento são conectadas com os pólos de um relé DPDT, cujos contatos N/O e N/C são configurados com a entrada da rede elétrica CA e a carga respectivamente.
Na ausência de rede elétrica CA, o sistema funciona no modo inversor e a saída de energia é fornecida à carga através dos contatos N/C do DPDT.
Na presença de uma entrada de rede CA, o relé é ativado para contatos N/O, permitindo que a rede CA alimente o lado de 220V do transformador. Isso, por sua vez, energiza o lado do inversor do transformador e a corrente pode passar pelos diodos do corpo dos MOSFETs para carregar a bateria conectada.
Antes que o relé DPDT seja ativado, o relé SPDT deve cortar o Vcc do driver IC da alimentação. Este pequeno atraso na ativação entre o relé SPDT e o relé DPDT deve ser garantido para garantir 100% de segurança para os MOSFETs e para as operações sonoras do modo inversor/carregamento através dos diodos do corpo.
Operações de comutação de relé
Como sugerido acima, quando a rede elétrica estiver disponível, o contato do relé SPDT do lado Vcc deve ser ativado alguns milissegundos antes do relé DPDT, no lado do transformador. No entanto, quando a entrada de rede falha, ambos os relés devem desligar quase simultaneamente. Essas condições podem ser implementadas usando o circuito a seguir.
Aqui, a alimentação DC operacional para a bobina do relé é adquirida de um adaptador AC para DC padrão, conectado à rede elétrica.
Isso significa que, quando a rede CA está disponível, o adaptador CA/CC liga os relés. O relé SPDT sendo conectado diretamente à alimentação CC é ativado rapidamente antes que o relé DPDT possa. O relé DPDT é ativado alguns milissegundos depois devido à presença do capacitor de 10 ohm e do capacitor de 470 uF. Isso garante que o IC do driver MOSFET seja desabilitado antes que o transformador seja capaz de responder à entrada CA da rede em seu lado de 220 V.
Quando a rede elétrica falha, ambos os relés desligam quase simultaneamente, já que o capacitor de 470uF agora não tem efeito no DPDT devido ao diodo de polarização reversa em série.
Isso conclui nossa explicação sobre o uso de diodos de corpo MOSFET para carregar uma bateria de inversor através de um único transformador comum. Felizmente, a ideia permitirá que muitos amadores construam inversores automáticos baratos e compactos com carregadores de bateria embutidos, usando um único transformador comum.
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FONTE
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