Какие преимущества имеют зарядные устройства на полевых транзисторах. Как работают схемы автомобильных зарядных устройств на MOSFET. Какие элементы используются в таких схемах. Чем отличаются схемы на полевых транзисторах от классических.
Преимущества зарядных устройств на полевых транзисторах
Схемы зарядных устройств для автомобильных аккумуляторов на полевых транзисторах имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с классическими схемами:
- Высокий КПД за счет низкого сопротивления открытого канала MOSFET-транзисторов
- Меньший нагрев силовых элементов
- Возможность работы на высоких частотах
- Компактность конструкции
- Точная регулировка тока и напряжения заряда
- Высокая надежность
Благодаря этим преимуществам зарядные устройства на полевых транзисторах обеспечивают более эффективный и быстрый заряд автомобильных аккумуляторов. Рассмотрим подробнее особенности работы таких схем.
Принцип работы зарядного устройства на MOSFET-транзисторах
Основой схемы зарядного устройства на полевых транзисторах является силовой ключ на MOSFET-транзисторе. Он работает в импульсном режиме, открываясь и закрываясь с высокой частотой. Управление ключом осуществляется с помощью ШИМ-контроллера, который регулирует скважность импульсов.
Принципиальная схема такого зарядного устройства выглядит следующим образом:
- Силовой MOSFET-транзистор
- ШИМ-контроллер
- Выпрямитель и фильтр на входе
- Драйвер затвора MOSFET
- Датчик тока
- Схема обратной связи по напряжению
Регулируя скважность импульсов на затворе MOSFET, схема управления поддерживает оптимальный ток заряда аккумулятора. При достижении заданного напряжения происходит переход в режим поддержания постоянного напряжения.
Особенности схемотехники зарядных устройств на полевых транзисторах
При разработке схем зарядных устройств на MOSFET-транзисторах необходимо учитывать ряд важных особенностей:
- Выбор MOSFET с низким сопротивлением открытого канала
- Использование быстродействующих драйверов затвора
- Применение снабберных цепей для защиты от перенапряжений
- Качественная разводка силовых цепей для минимизации паразитных индуктивностей
- Эффективное охлаждение силовых элементов
Правильный учет этих факторов позволяет создать надежное и эффективное зарядное устройство с высоким КПД и низким уровнем электромагнитных помех.
Сравнение схем на полевых и биполярных транзисторах
По сравнению с классическими схемами на биполярных транзисторах, зарядные устройства на MOSFET имеют ряд отличий:
| Параметр | Схема на MOSFET | Схема на биполярных транзисторах |
|---|---|---|
| КПД | До 95% | 70-80% |
| Рабочая частота | Десятки-сотни кГц | Единицы-десятки кГц |
| Нагрев силовых элементов | Незначительный | Существенный |
| Сложность управления | Требуется драйвер затвора | Простое управление |
| Габариты | Компактные | Более громоздкие |
Как видно из сравнения, схемы на MOSFET обеспечивают более высокую эффективность и компактность при несколько более сложной схемотехнике.
Применение микроконтроллеров в зарядных устройствах на полевых транзисторах
Современные зарядные устройства на MOSFET часто строятся с применением микроконтроллеров. Это позволяет реализовать следующие функции:
- Точное управление процессом заряда по заданному алгоритму
- Измерение и индикация параметров (ток, напряжение, емкость)
- Защита от нештатных режимов
- Температурная компенсация напряжения заряда
- Ведение статистики и диагностика аккумулятора
Микроконтроллер формирует ШИМ-сигнал для управления силовым MOSFET и обрабатывает сигналы обратной связи. Это обеспечивает высокую точность и гибкость управления процессом заряда.
Выбор элементной базы для зарядного устройства на полевых транзисторах
При разработке зарядного устройства на MOSFET важно правильно подобрать основные компоненты схемы:
- Силовой MOSFET — с низким RDS(on), достаточным рабочим напряжением
- Драйвер затвора — быстродействующий, с требуемым выходным током
- ШИМ-контроллер или микроконтроллер — с подходящей рабочей частотой
- Датчик тока — прецизионный, с малым падением напряжения
- Выходной фильтр — с низким ESR конденсаторов
Правильный выбор компонентов позволяет добиться оптимального сочетания характеристик зарядного устройства — высокого КПД, надежности и точности стабилизации параметров.
Особенности конструкции зарядных устройств на полевых транзисторах
При разработке конструкции зарядного устройства на MOSFET необходимо учитывать следующие аспекты:
- Эффективный теплоотвод от силовых элементов
- Минимизация длины силовых проводников
- Экранирование для снижения электромагнитных помех
- Разделение силовых и сигнальных цепей
- Применение многослойных печатных плат
Правильная компоновка и конструкция позволяют реализовать все преимущества схемотехники на MOSFET и получить компактное и эффективное зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов.
Заключение
Зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов на полевых транзисторах обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с классическими схемами. Они обеспечивают высокий КПД, малые габариты, точную регулировку параметров заряда. При правильном проектировании такие устройства позволяют значительно повысить эффективность и скорость заряда автомобильных аккумуляторных батарей.
Схема автомобильного зарядного устройства
Как правило, во всех зарядных устройствах, регулировка тока зарядки осуществляется мощным тиристором или транзистором которые установлены на большом радиаторе и занимающие много места и не малые по весу. Соответственно из-за больших нагревов регулирующих элементов уменьшается коэффициент полезного действия и надежность всего узла. В автомобильном зарядном устройстве, которое предлагается в этой статье, эти недостатки устранены.
Схема автомобильного зарядного устройства работающего по принципу импульсного регулятора тока представлена на рисунке ниже.
Генератор импульсов, собранный на двух логических элемента 2И-НЕ (DD1.1 и DD1.2), является собственно блоком управления нашего зарядного. Резистором R3 регулируется скважность импульсов вырабатываемых данным блоком.
Элементы DD1.3 и DD1.4, включенные параллельно, выступают в роли буферного усилителя и инвертора выходного сигнала генератора.
При параметрах деталей, которые указаны на схеме, частота вырабатываемых импульсов будет составлять около 13 килогерц.
Принцип регулировки тока зарядки основан на изменении частоты генератора. При увеличении частоты скважность импульсов будет уменьшаться, соответственно будет уменьшаться и ток, протекающий через транзистор и аккумулятор, так как транзистор, будет меньше времени находится в открытом состоянии за период. При уменьшении частоты все наоборот.
В открытом состоянии сопротивление транзистора составляет примерно 0,017 Ом. Но так как он работает в режиме ключа на частоте около 13 килогерц, то при токе зарядки аккумулятора 5 ампер нагрев практически отсутствует. И тепловая мощность, рассеиваемая им в атмосферу, будет всего около 0.55 ватта. Соответственно площадь радиатора будет совсем небольшой, или же вообще можно обойтись без радиатора.
Для надежной работы зарядного устройства трансформатор Т1 должен быть мощностью ни менее 150 ватт, с вторичной обмоткой которая обеспечит 16-17 вольт на сглаживающем конденсаторе С1, и током ни менее 6 ампер.
Но еще лучше будет, если использовать так называемый «электронный трансформатор», который применяется с галогенными лампами на 12 вольт. Это транзисторный преобразователь с трансформаторным выходом. Его преимуществом является малый размер и меньшее потребление энергии. Можно использовать широко распространенный трансформатор выпускаемый фирмой «Taschibra», мощностью 150 ватт и напряжением 12 вольт. Но для этого его необходимо немного переделать. Нужно домотать вторичную обмотку. Она у него состоит из 4-х параллельных проводов (жгута), каждый 1 мм, 9 витков. Дополняем вторичку еще тремя витками такого же жгута. Это можно сделать не разбирая ферритовый магнитопровод. После такой доработки, напряжение на конденсаторе C1 повысится до необходимых нам 17 вольт, при нагрузке 5,5 ампер.
Далее после трансформатора стоит диодный мост, собранный из диодов Шоттки. При этом VD1 это два диода в одном корпусе (можно и раздельно), VD2-VD3 дискретные. Все диоды устанавливаются на радиаторе через изолирующую прокладку с теплопроводной пастой.
Транзистор то же устанавливается на радиаторе из меди или алюминия размером 50х50х1 мм.
Амперметр взят от бытового магнитофона советского производства М476/2. Можно установить и любой другой, подобрав при этом шунт.
Конденсатор C1 желательно установить как можно большей емкости на напряжение не ниже 25 вольт. C2 примерно 10МкФ 16 вольт.
Микросхему К561ЛА7 можно заменить импортным аналогом, а транзистор на IRFZ44N.
Данное устройство можно использовать не только как зарядное, но и как регулятор мощности различных нагревательных и осветительных приборов или регулировки частоты вращения коллекторных двигателей. При этом выходное напряжение и ток зависят только от номиналов деталей схемы.
Еще одной особенностью этой схемы является возможность регулировать ток от нуля до максимального, в отличие от многих других схем.
Анекдот:
Внимательно вчитавшись в название «Калгон»,
я подумал, что оно идеально бы подошло для слабительного.
Авторский сайт Кравцова Виталия Николаевича. и разработаны только автором | ||
ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО С МОЩНЫМ МОП n-КАНАЛЬНЫМ ТРАНЗИСТОРОМ
Все
ранее рассмотренные схемы зарядных устройств в качестве силового ключа
использовали мощные p-n-p или
n-p-n транзисторы,
которые позволяли получить достаточно большой ток при
небольшом количестве электронных элементов. Однако у
используемых биполярных транзисторов имеется существенный недостаток —
большое падение напряжения коллектор-эмиттер в режиме насыщения,
достигающее 2 . Гораздо более
распространены и доступней силовые n—
канальные МОП транзисторы, но принципиальная схема устройства с
такими транзисторами несколько усложняется, т.к. для полного открытия
канала сток-исток на затвор необходимо подать напряжение на 15 В
выше напряжения силовой части. Ниже рассмотрена схема такого устройства. Основа конструкции мало отличается от ранее рассмотренных устройств на биполярных силовых транзисторах. С помощью конденсаторов С1-С3 и диодов VD1-VD5 в схеме формируется повышенное на 15 В напряжение, которое с помощью транзисторов VT2, VT3 подаётся на затвор полевого транзистора VT1. В схеме желательно
использовать MOSFET с наиболее низким
сопротивлением открытого канала, но максимальное допустимое напряжение
этих транзисторов должно быть в 1,5 — 2 раза выше напряжения
силовой цепи. В качестве диода VD8 желательно
использовать диоды с барьером Шоттки с рабочим напряжением выше
максимального в силовой цепи, в крайнем случае можно использовать КД213А
или КД2997, КД2799, но их придётся установить на небольшой радиатор.
Требования к изготовлению накопительного дросселя DR1
изложены в публикациях по зарядным устройствам с биполярными
ключевыми транзисторами ( см. При отсутствии подходящего проволочного резистора, используемого в качестве токового шунта R17 схему можно доработать, используя небольшой отрезок манганинового провода диаметром 2 мм или мощные проволочные резисторы сопротивлением 0,01 …0,05 Ом. Нормализацию напряжения на токовом шунте осуществляют с помощью усилителя на любом доступном ОУ. Как это сделать? — смотри следующую страницу : Лабораторный блок питания с усилителем -нормализатором напряжения шунта.
Остальные схемы смотри далее: 1. Зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов ( главная страница раздела зарядных устройств для автомобилей) 2. Зарядное устройство с автоматическим отключением от сети 3. Зарядное устройство с ключевым стабилизатором тока 4. Зарядное устройство с микросхемой TL494 5. Зарядное устройство с микросхемой TL494 и нормализатором напряжения шунта 6. 7. Зарядное устройство с цифровой индикацией и повышенным выходным током до 20А 8. Зарядное устройство на тиристоре с улучшенными характеристиками и с использованием микросхемы TL494 9. Зарядное устройство на двух тиристорах и с использованием микросхемы TL494 10. Зарядное устройство для кислотно-свинцовых необслуживаемых аккумуляторов ёмкостью 4 … 17А/час 11. Лабораторный блок питания 1,5 -30В, 0-5А + зарядное устройство на MOSFET транзисторе 12. Лабораторный блок питания + зарядное устройство с усилителем напряжения шунта 13. Лабораторный блок питания + зарядное устройство с узлом аварийной защиты 14. Зарядное устройство с периодическим контролем ЭДС аккумулятора ( главная страница раздела зарядных устройств)
| Уважаемые посетители! Все материалы сайта в случае их некоммерческого использования предоставляются бесплатно, хотя автор затрачивает достаточно большие средства на их обновление расширение и размещение.  Если Вы хотите, чтобы автор отвечал на Ваши письма, обновлял и добавлял новые материалы — активней используйте контекстную рекламу, размещённую на страницах — для себя Вы узнаете много нового и полезного, а автору позволит частично компенсировать собственные затраты чтобы уделять Вам больше внимания. ВНИМАНИЕ! Вам нужно разработать сложное электронное устройство? Тогда Вам сюда…
| |
.. 2,5 В у составных транзисторов, что
приводит к их повышенному нагреву и необходимости
установки транзисторов на большой радиатор. Гораздо
экономичней вместо биполярных транзисторов устанавливать силовые МОП (MOSFET) транзисторы, которые при тех же токах
имеют гораздо меньшее ( в 5 -10 раз) падение напряжения на
открытом переходе сток-исток.
Проще всего вместо силового p-n-p транзистора
установить мощный p-канальный
полевой транзистор, ограничив с помощью дополнительного стабилитрона
напряжение между истоком и затвором на уровне 15В. Параллельно
стабилитрону подключается резистор сопротивлением около 1 кОм для быстрой
разрядки ёмкости затвор-исток. 
остальные схемы раздела). 
Зарядное устройство
с цифровой индикацией тока и напряжения.Цепь зарядного устройства для ионно-литиевых аккумуляторов: распределение нагрузки
В современном мире постоянно сжимающейся электроники существует постоянная потребность в использовании ионно-литиевых аккумуляторов в продуктах. При разработке безопасной и эффективной схемы аккумуляторов необходимо учитывать множество сложностей.
Ранее я обсуждал некоторые аспекты безопасности/защиты конструкции литий-ионных аккумуляторов. Я еще не обсуждал схемы зарядных устройств для литий-ионных аккумуляторов. В этой статье будут рассмотрены некоторые передовые методы распределения нагрузки цепей литий-ионных аккумуляторов.
То, что вы обнаружите, это почти все, что касается дизайна электроники, идеального решения не существует. Всегда нужно взвешивать все за и против конкретной схемы. Затем вы должны решить, что лучше всего подходит для вашего конкретного дизайна.
Примечания к этой статье
Для краткости мой пример схемы не будет функциональным, а предназначен только для отображения общего представления системы. Когда показана LI-ION CELL , предполагается, что в ячейку будут встроены все надлежащие схемы защиты.
Что
Не делать Что делатьПри проектировании первой схемы зарядного устройства для ионно-литиевых аккумуляторов первое, что вы, скорее всего, почувствуете, как показано на рисунке ниже:
т лучший метод.
Параллельное подключение системной нагрузки к аккумулятору создает множество потенциальных проблем и опасностей.
Многие спецификации зарядных устройств для литий-ионных аккумуляторов фактически поощряют и предлагают именно эту схему.
Рис. 2. В техническом описании зарядной ИС Texas Instruments BQ24210 показана нагрузка, подключенная параллельно аккумулятору.
Хотя эта установка может работать в определенных сценариях, она не является хорошей идеей для большинства проектов. Причина проста: если выход вашего зарядного устройства напрямую подключен к аккумулятору
, и к остальной нагрузке системы, он не сможет определить ток, который проходит через аккумулятор. Эта проблема усугубляется, если ваша система потребляет достаточно большую нагрузку, чтобы начать провисание самой шины напряжения. Это может исказить весь алгоритм зарядки аккумулятора.
Основная проблема связана с последней частью алгоритма зарядки.
Микросхема определяет ток заряда, чтобы знать, когда прекратить зарядку. Если системная нагрузка потребляет ток, зарядное устройство может никогда не выключиться, что приведет к повреждению аккумулятора.
В оставшейся части этой статьи будут рассмотрены три варианта, которые, хотя и сложнее в реализации, гораздо безопаснее и эффективнее.
1. Отключить загрузку системы во время зарядки
Самая простая схема зарядного устройства для ионно-литиевых аккумуляторов — просто отключить выход системы во время зарядки. Это характерно для многих продуктов, с которыми вы сталкиваетесь в повседневной жизни. Это особенно верно для продуктов, которые потребляют много тока во время использования, таких как портативные пылесосы. Самый простой способ реализовать это — просто использовать полевой МОП-транзистор последовательно с батареей, подходящей к нагрузке вашей системы. Входной источник питания управляет затвором MOSFET. Когда вы подключаете источник питания, МОП-транзистор выключается, отключая системную нагрузку.
Рисунок 3: Простое усовершенствование стандартной «параллельной» схемы зарядки.
Поскольку нагрузка системы питается только тогда, когда она не заряжается, остальная часть конструкции системы упрощается. Вам не нужно беспокоиться об управлении ситуациями по-разному в зависимости от того, какой источник питания вы используете в настоящее время.
Pro’s
- Требуется только один основной компонент.
- Быстрая зарядка аккумулятора, так как зарядное устройство питает только аккумулятор.
- Вам нужно беспокоиться о цепи только тогда, когда она находится в условиях нагрузки от батареи.
Con’s
- Не позволяет использовать систему при зарядке.
2. Прием нагрузки во время зарядки
Эта схема зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов очень похожа на предыдущую, но с двумя отличиями. Во-первых, вместо того, чтобы просто использовать MOSFET, вы также пропускаете входное питание нагрузки через диод.
При последовательном подключении затвора полевого транзистора к входному источнику питания и диода (обычно Шоттки) нагрузка системы получает питание от входного источника питания во время зарядки. Диод необходим для предотвращения обратного питания батареи от источника входного сигнала. Вы можете заменить диод идеальным диодом MOSFET, чтобы уменьшить падение напряжения.
Второе изменение заключается в добавлении дополнительного P MOSFET вплотную к другому. Это предотвращает прямую зарядку аккумулятора входным источником питания через диод в корпусе.
Рис. 4. Добавив диод Шоттки последовательно с входным блоком питания, вы позволяете системной нагрузке получать питание во время зарядки.
При использовании этого метода важно понимать ограничения источника питания.
Например:
- Стандартный USB 5В является основным входом, который может подавать ~500мА.
- Имеется литий-ионный аккумулятор емкостью 1000 мАч с максимальной скоростью зарядки 0,5C (500 мА) и максимальной скоростью разрядки 1C (1A).
- Зарядная ИС заряжается при максимальном токе 300 мА (это происходит на этапе цикла зарядки постоянным током).
- В зависимости от состояния нагрузка может потреблять от 50 мА до 500 мА.
Пока устройство не подключено к сети, нагрузка полностью питается от батареи, ограничений нет. Он способен полностью потреблять 500 мА. Подключив плату для зарядки, в режиме постоянного тока источник питания USB обеспечивает около 300 мА. Это означает, что для остальной части системы доступно только 200 мА. Внедрение надлежащей конструкции нисходящей системы необходимо для предотвращения повреждения источника питания.
Эта схема почти всегда требует подключения VUSB к системному микроконтроллеру. Таким образом, вы можете учитывать время, когда он заряжается, чтобы гарантировать отсутствие ситуаций перегрузки.
Еще один момент, который следует учитывать при использовании этого метода, заключается в том, что входное напряжение питания, вероятно, будет выше, чем напряжение батареи.
Если вы используете повышающий преобразователь после аккумулятора для повышения напряжения одноэлементной литиевой батареи до 5 В и используете зарядное устройство на 5 В, тогда проблем не возникнет. Если вместо этого ваша система просто работает напрямую от номинального напряжения 3,7 В от батареи, вы должны учитывать 5 В, которые система увидит при зарядке.
Pro’s
- Ненамного сложнее предыдущего метода. Все еще требует только несколько частей.
- Позволяет использовать систему во время зарядки.
Коннекторы
- Нагрузка может перегрузить входной источник зарядки, что приведет к повреждению.
- Система должна знать, когда она заряжается, что усложняет конструкцию системы.
- Требует, чтобы система учитывала разницу в напряжении между входным источником питания и аккумулятором.
3. Распределение нагрузки с помощью IC Power Path
Окончательная схема зарядного устройства для ионно-литиевых аккумуляторов является наиболее совершенной, в ней используются преимущества предыдущего метода и устраняются основные недостатки.
Существуют микросхемы для зарядки аккумуляторов производства Texas Instruments, Analog Devices и Maxim, которые имеют то, что они называют «управлением Power Path».
Рисунок 5: BQ2403x от Texas Instruments является примером зарядной ИС с Power Path.
Они включают в себя тот же стиль переключателей MOSFET между аккумулятором и системной нагрузкой, что мы рассматривали ранее. Вместо того, чтобы просто отключать питание при зарядке, они используют DPPM (Dynamic Power-Path Management). Это означает, что при зарядке микросхема будет подавать питание на системную нагрузку от настенного источника питания, как в моем примере 2. Если затем системная нагрузка потребляет больше, чем может обеспечить настенный источник питания, она переключается, позволяя аккумуляторной батарее работать. до разницы. Таким образом, ИС тракта питания может обеспечивать одинаковую мощность вне зависимости от того, заряжается он или нет.
Это упрощает конструкцию системы, так как вам не нужно беспокоиться об ограничениях по току между аккумулятором и источником зарядки.
Пока батарея способна генерировать такой большой ток, микросхема справится с этим.
У них также есть много полезных функций, таких как мгновенная подача питания на системную нагрузку при зарядке, даже когда батарея глубоко разряжена. Одна вещь, о которой следует знать, это то, что большинство из них имеют встроенный в силиконовый МОП-транзистор. Вы должны быть уверены, что текущий предел для IC достаточно высок для вашего варианта использования. Есть некоторые, которые используют внешние МОП-транзисторы. Это позволяет выбирать мощные МОП-транзисторы.
Pro’s
- Позволяет системе получать питание во время зарядки.
- Удаляет текущее ограничение входного источника зарядки.
- Позволяет разработчику системы не заботиться об электропитании, с ним полностью справляется ИС.
Con’s
- Дороже
- Выбор деталей меньшего размера
Заключение
При проектировании схемы с литий-ионным аккумулятором необходимо учитывать множество факторов.
Часто упускается из виду то, как аккумулятор распределяет нагрузку с зарядным устройством. В этой статье обсуждаются различные схемы зарядного устройства литий-ионных аккумуляторов для распределения нагрузки. Благодаря многим конструкциям нет необходимости использовать устройство во время зарядки. Для этого сценария отключение загрузки системы во время зарядки является дешевым и простым решением. Если вместо этого нагрузка системы постоянно нуждается в питании, питание должно подаваться от зарядного устройства или аккумулятора. В зависимости от требований к питанию необходимо либо получать питание напрямую от зарядного устройства, либо использовать интеллектуальную микросхему цепи питания.
MicroType Engineering — фирма, занимающаяся проектированием электронных и механических изделий с полным спектром услуг. Мы предлагаем поддержку «под ключ», независимо от того, насколько далеко вы продвинулись в процессе проектирования. У нас есть полная схема, дизайн печатной платы, прошивка, механический дизайн, а также услуги по сборке прототипов/мелкосерийной сборки.
Пожалуйста, свяжитесь, чтобы узнать больше!
Категория:
Использование корпусных диодов полевых МОП-транзисторов для зарядки аккумуляторов в инверторах
В этом посте мы попытаемся понять, как внутренние диоды полевых МОП-транзисторов можно использовать для зарядки аккумуляторов через тот же трансформатор, который используется. как инверторный трансформатор.
В этой статье мы рассмотрим концепцию инвертора с полным мостом и узнаем, как можно использовать встроенные диоды его 4 МОП-транзисторов для зарядки подключенной батареи.
Что такое полномостовой инвертор или инвертор H-Bridge
В нескольких моих предыдущих постах мы обсуждали схемы полномостовых инверторов и принцип их работы.
Как показано на изображении выше, в полномостовом инверторе у нас есть набор из 4 МОП-транзисторов, подключенных к выходной нагрузке. Диагонально соединенные пары полевых МОП-транзисторов поочередно переключаются через внешний генератор, заставляя входной постоянный ток от батареи преобразовываться в переменный ток или переменный ток для нагрузки.
Нагрузка обычно представляет собой трансформатор, низковольтная первичная часть которого соединена с мостом MOSFET для предполагаемой инверсии постоянного тока в переменный.
Как правило, топология H-моста на основе 4 N-канальных полевых МОП-транзисторов применяется в полномостовых инверторах, поскольку эта топология обеспечивает наиболее эффективную работу с точки зрения соотношения компактности и выходной мощности.
Хотя использование 4-канальных инверторов N зависит от специализированных ИС драйверов с начальной загрузкой, эффективность перевешивает сложность, поэтому эти типы широко используются во всех современных полномостовых инверторах.
Назначение внутренних корпусных диодов МОП-транзисторов
Внутренние корпусные диоды, присутствующие почти во всех современных МОП-транзисторах, в первую очередь используются для защиты устройства от всплесков обратной ЭДС, создаваемых подключенной индуктивной нагрузкой, такой как трансформатор, двигатель, соленоид и т.
д.
Когда индуктивная нагрузка включается через сток МОП-транзистора, электрическая энергия мгновенно накапливается внутри нагрузки, и в следующий момент, когда МОП-транзистор выключается, эта накопленная ЭДС отбрасывается обратно в обратной полярности от источника МОП-транзистора к стоку, вызывая необратимое повреждение МОП-транзистора.
Наличие встроенного в корпус диода на стоке/истоке устройства предотвращает опасность, позволяя этой обратной ЭДС проходить прямо через диод, тем самым защищая полевой МОП-транзистор от возможного пробоя.
Использование корпусных MOSFET-диодов для зарядки батареи инвертора
Мы знаем, что инвертор неполноценен без батареи, а батарея инвертора неизбежно требует частой зарядки, чтобы поддерживать выход инвертора в рабочем состоянии и в режиме ожидания.
Однако для зарядки аккумулятора требуется трансформатор, который должен иметь высокую мощность, чтобы обеспечить оптимальный ток для аккумулятора.
Использование дополнительного трансформатора в сочетании с инверторным трансформатором может быть довольно громоздким и дорогостоящим.
Поэтому поиск метода, в котором тот же инверторный трансформатор применяется для зарядки аккумулятора, кажется чрезвычайно выгодным.
Наличие внутренних диодов в МОП-транзисторах, к счастью, позволяет переключать трансформатор в режим инвертора, а также в режим зарядного устройства с помощью нескольких простых последовательностей переключений реле.
Основная рабочая концепция
На приведенной ниже диаграмме видно, что каждый полевой МОП-транзистор снабжен внутренним диодом, подключенным к контактам сток/исток.
Анод диода соединен с выводом истока, а вывод катода связан с выводом стока устройства. Мы также можем видеть, что, поскольку МОП-транзисторы настроены в мостовой сети, диоды также настраиваются в базовом формате сети с мостовым выпрямителем.
Используется пара реле, которые осуществляют несколько быстрых переключений, позволяя сети переменного тока заряжать батарею через диоды в корпусе MOSFET.
Такое формирование мостовой выпрямительной сети из внутренних диодов MOSFET на самом деле делает процесс использования одного трансформатора в качестве инвертирующего трансформатора и трансформатора зарядного устройства очень простым.
Направление тока через корпусные диоды MOSFET
На следующем рисунке показано направление тока через корпусные диоды для выпрямления переменного тока трансформатора в постоянное зарядное напряжение
При питании переменным током провода трансформатора попеременно меняют свою полярность. Как показано на левом изображении, предполагая, что СТАРТ является положительным проводом, оранжевые стрелки указывают схему протекания тока через D1, батарею, D3 и обратно к ФИНИШУ или отрицательному проводу трансформатора.
Для следующего цикла переменного тока полярность меняется на противоположную, и ток перемещается, как показано синими стрелками, через внутренний диод D4, батарею, D2 и обратно к КОНЦЕВОЙ или отрицательной клемме обмотки трансформатора. Это продолжает повторяться попеременно, преобразуя оба цикла переменного тока в постоянный и заряжая аккумулятор.
Однако, поскольку в системе также задействованы полевые МОП-транзисторы, необходимо соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не повредить эти устройства в процессе, а это требует идеального переключения инвертора/зарядного устройства.
Практическая конструкция
На следующей диаграмме показана практическая конструкция, предназначенная для использования внутренних MOSFET-диодов в качестве выпрямителя для зарядки инверторной батареи с релейными переключателями.
Для обеспечения 100% безопасности полевых МОП-транзисторов в режиме зарядки и при использовании внутренних диодов с трансформатором переменного тока затворы МОП-транзисторов должны удерживаться под потенциалом земли и быть полностью отрезанными от источника постоянного тока.
Для этого мы реализуем две вещи: подключаем резисторы номиналом 1 кОм к контактам затвор/исток всех полевых МОП-транзисторов и подключаем реле отключения последовательно с линией питания Vcc микросхемы драйвера.
Реле отключения представляет собой релейный контакт SPDT с размыкающими контактами, соединенными последовательно с входом питания драйвера IC. При отсутствии сети переменного тока контакты N/C остаются активными, позволяя питанию батареи поступать на микросхему драйвера для питания полевых МОП-транзисторов.
Когда сеть переменного тока доступна, это реле переключается на нормально разомкнутые контакты, отключая IC Vcc от источника питания, тем самым обеспечивая полное отключение полевых МОП-транзисторов от положительного привода.
Мы видим еще один набор контактов реле, подключенный к трансформатору 220 В со стороны сети. Эта обмотка представляет собой выходную сторону 220 В инвертора. Концы обмотки соединены с полюсами реле DPDT, НО и НЗ контакты которого настроены на вход сети переменного тока и нагрузку соответственно.
При отсутствии сети переменного тока система работает в режиме инвертора, и выходная мощность подается на нагрузку через размыкающие контакты DPDT.
При наличии входа сети переменного тока реле активируется замыкающими контактами, позволяя сети переменного тока питать сторону трансформатора 220 В. Это, в свою очередь, подает питание на инверторную сторону трансформатора, и ток может проходить через внутренние диоды полевых МОП-транзисторов для зарядки подключенной батареи.
Прежде чем реле DPDT сможет активироваться, реле SPDT должно отключить Vcc драйвера IC от источника питания. Эта небольшая задержка в активации между реле SPDT и реле DPDT должна быть обеспечена, чтобы гарантировать 100% безопасность для MOSFET и для звуковой работы режима инвертора/зарядки через диоды корпуса.
Операции переключения реле
Как указано выше, при наличии сетевого питания контакт реле SPDT на стороне Vcc должен активироваться на несколько миллисекунд раньше, чем реле DPDT на стороне трансформатора. Тем не менее, при сбое сетевого входа оба реле должны выключаться почти одновременно. Эти условия могут быть реализованы с помощью следующей схемы.
Здесь рабочий источник постоянного тока для катушки реле поступает от стандартного адаптера переменного тока в постоянный, подключенного к сети.
Это означает, что при наличии сетевого переменного тока адаптер переменного/постоянного тока включает реле. Реле SPDT, подключенное непосредственно к источнику постоянного тока, срабатывает быстрее, чем реле DPDT.
