Χρήση διόδων σώματος MOSFET για φόρτιση μπαταρίας σε μετατροπείς

Σε αυτήν την ανάρτηση προσπαθούμε να κατανοήσουμε πώς θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν οι εσωτερικές δίοδοι αμαξώματος των MOSFETs για τη δυνατότητα φόρτισης της μπαταρίας μέσω του ίδιου μετασχηματιστή που χρησιμοποιείται με τον μετασχηματιστή μετατροπέα.

Σε αυτό το άρθρο θα διερευνήσουμε μια ιδέα γεμάτη μετατροπέα γεφυρών και θα μάθουμε πώς θα μπορούσαν να εφαρμοστούν οι ενσωματωμένες δίοδοι των 4 MOSFET για τη φόρτιση μιας συνδεδεμένης μπαταρίας.

Τι είναι ο μετατροπέας Full Bridge ή H-Bridge

Σε λίγες από τις προηγούμενες δημοσιεύσεις μου έχουμε συζητήσει κυκλώματα μετατροπέα πλήρους γέφυρας και σχετικά με την αρχή της εργασίας τους.

Όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, βασικά, σε έναν μετατροπέα πλήρους γέφυρας έχουμε ένα σύνολο 4 MOSFET που συνδέονται με το φορτίο εξόδου. Τα διαγώνια συνδεδεμένα ζεύγη MOSFET εναλλάσσονται εναλλακτικά μέσω εξωτερικού ταλαντωτής , προκαλώντας την είσοδο DC από την μπαταρία σε εναλλασσόμενο ρεύμα ή AC για το φορτίο.

Το φορτίο έχει συνήθως τη μορφή α μετασχηματιστής , του οποίου το πρωτεύον χαμηλής τάσης συνδέεται με τη γέφυρα MOSFET για την προβλεπόμενη αντιστροφή DC σε AC.

Συνήθως, το 4 N-κανάλι MOSFET Η τοπολογία με βάση το H-Bridge εφαρμόζεται σε μετατροπείς γεφυρών, καθώς αυτή η τοπολογία παρέχει την πιο αποτελεσματική εργασία όσον αφορά τη σχέση συμπαγούς προς εξόδου ισχύος.

Αν και οι μετατροπείς καναλιών 4Ν εξαρτώνται από εξειδικευμένους IC οδηγών με μποτών Ωστόσο, η απόδοση υπερτερεί της πολυπλοκότητας, επομένως αυτοί οι τύποι χρησιμοποιούνται ευρέως σε όλους τους σύγχρονους πλήρεις μετατροπείς γεφυρών .

Σκοπός των διόδων εσωτερικού σώματος MOSFET

Οι εσωτερικές δίοδοι σώματος που υπάρχουν σχεδόν σε όλες τις σύγχρονες MOSFETs παρουσιάζονται κυρίως προστατέψτε τη συσκευή από αντίστροφη ακίδα EMF που δημιουργούνται από συνδεδεμένο επαγωγικό φορτίο , όπως ένας μετασχηματιστής, κινητήρας, ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα κ.λπ.

Όταν ένα επαγωγικό φορτίο ενεργοποιείται μέσω της αποστράγγισης MOSFET, η ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται στιγμιαία μέσα στο φορτίο και κατά την επόμενη στιγμή Το MOSFET απενεργοποιείται , αυτό το αποθηκευμένο EMF ξεκινάει με την αντίστροφη πολικότητα από την πηγή MOSFET στην αποστράγγιση, προκαλώντας μόνιμη ζημιά στο MOSFET.

Η παρουσία μιας εσωτερικής δίοδος σώματος κατά μήκος της αποστράγγισης / πηγής της συσκευής αποτρέπει τον κίνδυνο επιτρέποντας σε αυτό το πίσω άκρο να κατευθύνει μια απευθείας διαδρομή μέσω της διόδου, προστατεύοντας έτσι το MOSFET από πιθανή βλάβη.

Χρήση των διόδων σώματος MOSFET για τη φόρτιση της μπαταρίας μετατροπέα

Γνωρίζουμε ότι ένας μετατροπέας δεν είναι πλήρης χωρίς μπαταρία και ότι μια μπαταρία μετατροπέα απαιτεί αναπόφευκτα συχνά φόρτιση για να διατηρείται η έξοδος του μετατροπέα σε αναβάθμιση και σε κατάσταση αναμονής.

Ωστόσο, η φόρτιση μιας μπαταρίας απαιτεί μετασχηματιστή, ο οποίος πρέπει να είναι τύπου υψηλής ισχύος για να διασφαλιστεί η βέλτιστη ρεύμα για την μπαταρία .

Η χρήση ενός πρόσθετου μετασχηματιστή σε συνδυασμό με τον μετασχηματιστή μετατροπέα μπορεί να είναι αρκετά ογκώδης και δαπανηρή. Γι 'αυτό βρίσκοντας μια τεχνική στην οποία Ο ίδιος μετασχηματιστής μετατροπέα εφαρμόζεται για φόρτιση η μπαταρία ακούγεται εξαιρετικά ευεργετική.

Η παρουσία των εσωτερικών διόδων αμαξώματος στα MOSFETs ευτυχώς καθιστά δυνατή την εναλλαγή του μετασχηματιστή στη λειτουργία αντιστροφέα και επίσης στη λειτουργία φορτιστή μπαταρίας, μέσω κάποιας εύκολης εναλλαγή ρελέ ακολουθίες.

Βασική έννοια εργασίας

Στο παρακάτω διάγραμμα μπορούμε να δούμε ότι, κάθε MOSFET συνοδεύεται από μια εσωτερική δίοδο αμαξώματος, συνδεδεμένη στις ακίδες αποστράγγισης / πηγής τους.

Η άνοδος της διόδου συνδέεται με τον πείρο πηγής, ενώ ο πείρος καθόδου συνδέεται με τον πείρο αποστράγγισης της συσκευής. Μπορούμε επίσης να δούμε ότι αφού τα MOSFET έχουν διαμορφωθεί σε ένα γεφυρωμένο δίκτυο, οι δίοδοι διαμορφώνονται επίσης σε ένα βασικό ανορθωτής γεφυρών μορφή δικτύου.

Χρησιμοποιούνται μερικά ρελέ που εφαρμόζουν μερικά γρήγορες εναλλαγές για την ενεργοποίηση του δικτύου AC για φόρτιση της μπαταρίας μέσω των διόδων σώματος MOSFET.

Αυτό ανορθωτής γέφυρας Ο σχηματισμός δικτύου των εσωτερικών διόδων MOSFET καθιστά πραγματικά τη διαδικασία χρήσης ενός μόνο μετασχηματιστή ως μετασχηματιστή μετατροπέα και μετασχηματιστή φορτιστή πολύ απλή.

Τρέχουσα κατεύθυνση ροής μέσω διόδων σώματος MOSFET

Η παρακάτω εικόνα δείχνει την κατεύθυνση της ροής ρεύματος μέσω των διόδων αμαξώματος για τη διόρθωση του μετασχηματιστή AC σε τάση φόρτισης DC

Με τροφοδοσία AC, τα καλώδια του μετασχηματιστή αλλάζουν εναλλακτικά την πολικότητά τους. Όπως φαίνεται στην αριστερή εικόνα, υποθέτοντας το START ως θετικό καλώδιο, τα πορτοκαλί βέλη υποδεικνύουν το μοτίβο ροής του ρεύματος μέσω D1, μπαταρίας, D3 και πίσω στο FINISH ή το αρνητικό καλώδιο του μετασχηματιστή.

Για τον επόμενο κύκλο εναλλασσόμενου ρεύματος, η πολικότητα αντιστρέφεται και το ρεύμα κινείται όπως υποδεικνύεται από τα μπλε βέλη μέσω της δίοδος σώματος D4, της μπαταρίας, D2 και πίσω στο FINISH ή στο αρνητικό άκρο της περιέλιξης του μετασχηματιστή. Αυτό συνεχίζει να επαναλαμβάνεται εναλλάξ, μετατρέποντας και τους δύο κύκλους AC σε DC και φορτίζοντας την μπαταρία.

Ωστόσο, δεδομένου ότι τα MOSFET εμπλέκονται επίσης στο σύστημα, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή για να διασφαλιστεί ότι αυτές οι συσκευές δεν θα υποστούν βλάβη στη διαδικασία και αυτό απαιτεί τέλεια λειτουργία μετατροπής μετατροπέα / φορτιστή.

Πρακτικός σχεδιασμός

Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει μια πρακτική σχεδίαση για την εφαρμογή διόδων σώματος MOSFET ως ανορθωτή για φόρτιση μπαταρίας μετατροπέα , με διακόπτες εναλλαγής ρελέ.

Για να διασφαλιστεί η ασφάλεια 100% για τα MOSFET στη λειτουργία φόρτισης και κατά τη χρήση των διόδων αμαξώματος με τον μετασχηματιστή AC, οι πύλες MOSFET πρέπει να διατηρούνται στο δυναμικό γείωσης και να έχουν αποκοπεί εντελώς από το τροφοδοτικό DC.

Γι 'αυτό υλοποιούμε δύο πράγματα, συνδέστε αντιστάσεις 1 k στις ακίδες πύλης / πηγής όλων των MOSFET και ένα ρελέ αποκοπής σε σειρά με τη γραμμή τροφοδοσίας Vcc του IC οδηγού.

Το ρελέ διακοπής είναι μια επαφή ρελέ SPDT με τις επαφές N / C που συνδέονται σε σειρά με την είσοδο τροφοδοσίας IC του προγράμματος οδήγησης. Ελλείψει εναλλασσόμενου ρεύματος, οι επαφές N / C παραμένουν ενεργές επιτρέποντας στην τροφοδοσία μπαταρίας να φτάσει στο IC του προγράμματος οδήγησης για την τροφοδοσία των MOSFET.

Όταν το δίκτυο AC είναι διαθέσιμο, αυτό το ρελέ αλλάζει στις επαφές N / O διακόπτοντας το IC Vcc από την πηγή τροφοδοσίας, διασφαλίζοντας έτσι μια συνολική διακοπή των MOSFET από τη θετική μονάδα δίσκου.

Μπορούμε να δούμε ένα άλλο σετ επαφές ρελέ συνδέεται με την πλευρά του μετασχηματιστή 220 V. Αυτή η περιέλιξη αποτελεί την έξοδο 220V του μετατροπέα. Τα άκρα περιέλιξης συνδέονται με τους πόλους ενός ρελέ DPDT, του οποίου οι επαφές N / O και N / C διαμορφώνονται με την είσοδο δικτύου δικτύου AC και το φορτίο αντίστοιχα.

Ελλείψει δικτύου AC, το σύστημα λειτουργεί σε λειτουργία μετατροπέα και η έξοδος ισχύος παραδίδεται στο φορτίο μέσω των επαφών N / C του DPDT.

Παρουσία εισόδου δικτύου AC, το ρελέ ενεργοποιείται σε επαφές N / O επιτρέποντας στο δίκτυο AC να τροφοδοτεί την πλευρά 220V του μετασχηματιστή. Αυτό με τη σειρά του ενεργοποιεί την πλευρά του μετατροπέα του μετασχηματιστή και το ρεύμα επιτρέπεται να διέρχεται μέσω των διόδων αμαξώματος των MOSFET για τη φόρτιση της συνδεδεμένης μπαταρίας.

Προτού ενεργοποιηθεί το ρελέ DPDT, το ρελέ SPDT υποτίθεται ότι διακόπτει την Vcc του IC οδηγού από την παροχή. Αυτή η μικρή καθυστέρηση στην ενεργοποίηση μεταξύ του ρελέ SPDT και του ρελέ DPDT πρέπει να διασφαλιστεί προκειμένου να διασφαλιστεί 100% ασφάλεια για τα MOSFET και για την καλή λειτουργία του λειτουργία μετατροπέα / φόρτισης μέσω των διόδων σώματος.

Λειτουργίες αλλαγής ρελέ

Όπως προτείνεται παραπάνω, όταν είναι διαθέσιμη η παροχή ρεύματος, η επαφή ρελέ SPDT πλευράς Vcc θα πρέπει να ενεργοποιήσει μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου πριν από το ρελέ DPDT, στην πλευρά του μετασχηματιστή. Ωστόσο, όταν η είσοδος δικτύου αποτύχει, και τα δύο ρελέ πρέπει να απενεργοποιηθούν σχεδόν ταυτόχρονα. Αυτές οι συνθήκες θα μπορούσαν να εφαρμοστούν χρησιμοποιώντας το ακόλουθο κύκλωμα.

Εδώ, η λειτουργική παροχή DC για το πηνίο ρελέ αποκτάται από ένα πρότυπο Προσαρμογέας AC σε DC , συνδεδεμένο με το δίκτυο.

Αυτό σημαίνει, όταν είναι διαθέσιμο το δίκτυο AC, ο προσαρμογέας AC / DC ενεργοποιεί τα ρελέ. Το ρελέ SPDT που συνδέεται απευθείας στην τροφοδοσία DC ενεργοποιείται γρήγορα προτού το ρελέ DPDT μπορεί. Το ρελέ DPDT ενεργοποιείται λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου αργότερα λόγω της παρουσίας του πυκνωτή 10 ohm και 470 uF. Αυτό διασφαλίζει ότι το IC του προγράμματος οδήγησης MOSFET είναι απενεργοποιημένο πριν ο μετασχηματιστής μπορεί να ανταποκριθεί στην είσοδο εναλλασσόμενου ρεύματος στο 220 V πλευρά του.

Όταν το δίκτυο AC αποτύχει, και ο δύο διακόπτης ρελέ απενεργοποιείται σχεδόν ταυτόχρονα, καθώς ο πυκνωτής 470uF δεν έχει καμία επίδραση στο DPDT λόγω της σειράς αντίστροφης μεροληψίας.

Αυτό ολοκληρώνει την εξήγησή μας σχετικά με τη χρήση διόδων αμαξώματος MOSFET για τη φόρτιση μιας μπαταρίας μετατροπέα μέσω ενός κοινού μετασχηματιστή. Ας ελπίσουμε ότι η ιδέα θα επιτρέψει στους πολλούς χόμπι να φτιάξουν φτηνούς, συμπαγείς αυτόματους μετατροπείς με ενσωματωμένους φορτιστές μπαταριών, χρησιμοποιώντας έναν κοινό μετασχηματιστή.