양방향 스위치

이 게시물에서는 양방향으로 두 지점에서 부하를 작동하는 데 사용할 수있는 MOSFET 양방향 전원 스위치에 대해 알아 봅니다. 이는 2 개의 N- 채널 또는 P- 채널 MOSFET을 지정된 전압 라인과 직렬로 연속 연결하여 간단히 수행됩니다.

양방향 스위치 란?

양방향 전원 스위치 (BPS)는 다음을 사용하여 구축 된 활성 장치입니다. MOSFET 또는 IGBT , 전원이 켜질 때 양방향 전류 흐름을 허용하고 전원이 꺼지면 양방향 전압 흐름을 차단합니다.

양방향 전환이 가능하기 때문에 양방향 스위치는 정상으로 비교되고 상징화 될 수 있습니다. 온 / 오프 스위치 아래 그림과 같이:

여기에서 스위치의 'A'지점에 양의 전압이 적용되고 'B'지점에 음의 전위가 적용되어 전류가 'A'에서 'B'로 흐를 수 있음을 알 수 있습니다. 이 동작은 단순히 전압 극성을 변경하여 되돌릴 수 있습니다. 즉, BPS의 'A'및 'B'지점은 상호 교환 가능한 입력 / 출력 단자로 사용할 수 있습니다.

BPS의 가장 좋은 적용 사례는 모든 MOSFET 기반 상용에서 볼 수 있습니다. SSR 설계 .

형질

에 전력 전자 에서 양방향 스위치 (BPS)의 특성은 ON 상태에서 양 또는 음의 전류를 전도하고 OFF 상태에서 양 또는 음의 전류를 차단할 수있는 4 사분면 스위치로 정의됩니다. BPS에 대한 4 사분면 ON / OFF 다이어그램은 다음과 같습니다.

위 다이어그램에서 사분면은 공급 전류 또는 파형의 극성에 관계없이 장치의 ON 상태를 나타내는 녹색으로 표시됩니다.

위의 다이어그램에서 빨간색 직선은 BPS 장치가 OFF 상태에 있으며 전압 또는 파형의 극성에 관계없이 절대 전도를 제공하지 않음을 나타냅니다.

BPS가 가져야 할 주요 기능

• 양방향 스위치 장치는 A에서 B로, B에서 A로 양쪽에서 쉽고 빠르게 전력을 전도 할 수 있도록 고도로 적응해야합니다.
• DC 애플리케이션에서 사용되는 경우 BPS는 부하의 향상된 전압 조정을 위해 최소 온 상태 저항 (Ron)을 나타내야합니다.
• BPS 시스템에는 극성이 변경되는 동안 또는 상대적으로 높은 주변 온도 조건에서 갑작스러운 돌입 전류를 견딜 수있는 적절한 보호 회로가 장착되어 있어야합니다.

양방향 스위치 구성

양방향 스위치는 다음 그림과 같이 MOSFET 또는 IGBT를 직렬로 연속 연결하여 구성됩니다.

여기서 양방향 스위치를 구성 할 수있는 세 가지 기본 방법을 확인할 수 있습니다.

첫 번째 다이어그램에서 두 개의 P 채널 MOSFET은 소스가 서로 연속적으로 연결되어 구성됩니다.

두 번째 다이어그램에서는 BPS 설계를 구현하기 위해 두 개의 N 채널 MOSFET이 소스에 연결되어있는 것을 볼 수 있습니다.

세 번째 구성에서는 의도 된 양방향 전도를 실행하기 위해 드레인-드레인에 연결된 2 개의 N- 채널 MOSFET이 표시됩니다.

기본 기능 세부 정보

MOSFET이 소스와 연속적으로 결합되는 두 번째 구성의 예를 들어 보겠습니다. 아래에 표시된 것처럼 양의 전압이 'A'에서 'B'에 적용되는 것을 상상해 보겠습니다.

이 경우 게이트 전압이 가해지면 'A'의 전류가 왼쪽 MOSFET을 통과 한 다음 오른쪽 MOSFET의 내부 순방향 바이어스 다이오드 D2를 통해 흐르고 마지막으로 'B'지점에서 전도가 완료됨을 알 수 있습니다. '.

전압 극성이 'B'에서 'A'로 바뀌면 MOSFET과 내부 다이오드가 다음 그림과 같이 위치를 뒤집습니다.

위 상황에서 BPS의 우측 MOSFET은 좌측 MOSFET의 내부 바디 다이오드 인 D1과 함께 ON으로 전환되어 'B'에서 'A'로의 전도를 가능하게합니다.

개별 양방향 스위치 만들기

이제 의도 된 양방향 스위칭 애플리케이션을 위해 개별 구성 요소를 사용하여 양방향 스위치를 구축하는 방법을 알아 보겠습니다.

다음 다이어그램은 P 채널 MOSFET을 사용한 기본 BPS 구현을 보여줍니다.

P- 채널 MOSFET 사용

지점 'A'가 양수이면 왼쪽 바디 다이오드가 순방향 바이어스되어 전도되고이어서 오른쪽 p-MOSFET가 지점 'B'에서 전도를 완료합니다.

지점 'B'가 양수이면 각 구성 요소 반대쪽이 전도를 위해 활성화됩니다.

하위 N 채널 MOSFET은 적절한 ON / OFF 게이트 명령을 통해 BPS 장치의 ON / OFF 상태를 제어합니다.

저항과 커패시터는 돌입 전류 서지에서 BPS 장치를 보호합니다.

그러나 P 채널 MOSFET을 사용하는 것은 BPS를 구현하는 이상적인 방법이 아닙니다. RDSon이 높기 때문에 . 따라서 N 채널 기반 BPS 설계에 비해 열 및 기타 관련 비 효율성을 보상하기 위해 더 크고 값 비싼 장치가 필요할 수 있습니다.

N 채널 MOSFET 사용

다음 설계에서는 N 채널 MOSFET을 사용하여 BPS 회로를 구현하는 이상적인 방법을 볼 수 있습니다.

이 개별 양방향 스위치 회로에서는 연속적으로 연결된 N- 채널 MOSFET이 사용됩니다. 이 방법은 A에서 B로 그리고 그 반대로 양방향 전력 전도를 촉진하기위한 외부 드라이버 회로가 필요합니다.

쇼트 키 다이오드 BA159는 A와 B의 전원을 멀티플렉싱하여 차지 펌프 회로를 활성화하는 데 사용되므로 차지 펌프가 N 채널 MOSFET에 필요한 양의 턴온 전압을 생성 할 수 있습니다.

차지 펌프는 표준을 사용하여 구축 할 수 있습니다. 전압 배가 회로 또는 작은 부스트 스위칭 회로.

3.3V는 충전 펌프에 최적의 전원을 공급하기 위해 적용되는 반면, 쇼트 키 다이오드는 입력 공급이 6V만큼 낮더라도 각 입력 (A / B)에서 직접 게이트 전압을 유도합니다.이 6V는 MOSFET 게이트에 대한 충전 ump.

하단 N 채널 MOSFET은 원하는 사양에 따라 양방향 스위치의 ON / OFF 스위칭을 제어하기위한 것입니다.

이전에 논의한 P 채널과 비교하여 N 채널 MOSFET을 사용하는 유일한 단점은 PCB에서 추가 공간을 소비 할 수있는 이러한 추가 구성 요소입니다. 그러나이 단점은 MOSFET의 낮은 R (on)과 고효율 전도, 저비용 소형 MOSFET이 더 중요합니다.

즉,이 설계는 과열에 대한 효과적인 보호 기능도 제공하지 않으므로 고전력 응용 제품에는 대형 장치를 고려할 수 있습니다.

결론

양방향 스위치는 몇 개의 백투백 MOSFET을 사용하여 매우 쉽게 구축 할 수 있습니다. 이러한 스위치는 AC 소스와 같이 부하의 양방향 스위칭이 필요한 다양한 애플리케이션에 대해 구현할 수 있습니다.

참조 :

TPS2595xx, 2.7V ~ 18V, 4A, 34mΩ eFuse (빠른 과전압 보호 기능 포함) 데이터 시트

TPS2595xx 설계 계산 도구

E- 퓨즈 장치