Använda MOSFET-kroppsdioder för att ladda batteriet i växelriktare

I det här inlägget försöker vi förstå hur de interna kroppsdioderna i MOSFET kan utnyttjas för att möjliggöra laddning av batteriet genom samma transformator som används som inverterstransformatorn.

I den här artikeln kommer vi att undersöka ett fullständigt broomvandlare-koncept och lära oss hur de inbyggda dioderna i dess 4 MOSFET kan användas för att ladda ett anslutet batteri.

Vad är en Full Bridge eller H-Bridge inverter

I några av mina tidigare inlägg har vi diskuterat fullbrygga växelriktarkretsar och om deras arbetsprincip.

Som visas i bilden ovan har vi i princip i en full-bridge-växelriktare en uppsättning av fyra MOSFET-enheter anslutna till utgångsbelastningen. De diagonalt anslutna MOSFET-paren växlas växelvis via en extern oscillator vilket gör att ingångsströmmen från batteriet förvandlas till en växelström eller växelström för lasten.

Lasten är normalt i form av a transformator , vars primära lågspänning är ansluten till MOSFET-bryggan för den avsedda DC till AC-inversionen.

Vanligtvis är 4 N-kanal MOSFET baserad H-bryggtopologi tillämpas i fullbrygga växelriktare, eftersom denna topologi ger det mest effektiva arbetet när det gäller förhållandet mellan kompakthet och effekt.

Även om användning av 4 N kanalomformare beror på specialiserade förar-IC: er med bootstrapping ändå överväger effektiviteten komplexiteten, därför används dessa typer populärt i alla moderna full broomvandlare .

Syfte med MOSFET-interna kroppsdioder

De inre kroppsdioderna som finns i nästan alla moderna MOSFET introduceras främst till skydda enheten från omvända EMF-toppar genererade från en ansluten induktiv belastning , såsom en transformator, motor, solenoid etc.

När en induktiv belastning slås PÅ genom MOSFET-avloppet lagras elektrisk energi omedelbart inuti lasten och under nästa ögonblick som MOSFET stängs av , denna lagrade EMF sparkas tillbaka i omvänd polaritet från MOSFET-källan för att tömma, vilket orsakar en permanent skada på MOSFET.

Närvaron av en inre kroppsdiod över avloppet / källan till enheten utesluter faran genom att låta denna bakre emf spika en direkt väg genom dioden, vilket skyddar MOSFET från en eventuell nedbrytning.

Använda MOSFET-kroppsdioder för laddning av växelriktarbatteri

Vi vet att en växelriktare är ofullständig utan batteri och att ett växelriktarbatteri oundvikligen kräver laddning ofta för att hålla växelriktarens uteffekt och i beredskapsläge.

För att ladda ett batteri krävs dock en transformator som måste vara av hög effekt för att säkerställa optimal ström för batteriet .

Att använda en extra transformator i kombination med invertertransformatorn kan också vara ganska skrymmande och kostsam. Därför hitta en teknik där samma växelriktartransformator används för laddning batteriet låter extremt fördelaktigt.

Närvaron av de inre kroppsdioderna i MOSFET gör det lyckligtvis möjligt för transformatorn att växlas i växelriktarläge och även i batteriladdarläge, genom några enkla reläväxlar sekvenser.

Grundläggande arbetskoncept

I diagrammet nedan kan vi se att varje MOSFET åtföljs av en inre kroppsdiod, ansluten över deras avlopps- / källstift.

Diodens anod är ansluten till källstiftet, medan katodstiftet är associerat med enhetens avtappningsstift. Vi kan också se att eftersom MOSFET: erna är konfigurerade i ett överbryggat nätverk, blir dioderna också konfigurerade i en grundläggande full-bridge likriktare nätverksformat.

Ett par reläer används som implementerar några snabba omställningar för att möjliggöra för nätströmmen att ladda batteriet via MOSFET-kroppsdioderna.

Detta Brygglikriktare nätverksbildning av MOSFET-interna dioder gör faktiskt processen att använda en enda transformator som en inverterstransformator och laddningstransformator mycket enkel.

Aktuell flödesriktning genom MOSFET-kroppsdioder

Följande bild visar strömningsriktningen genom kroppsdioderna för att korrigera transformatorn AC till en DC-laddningsspänning

Med en växelströmförsörjning ändrar transformatorledningarna sin polaritet omväxlande. Som framgår av den vänstra bilden, förutsatt att START antas som den positiva ledningen, indikerar de orange pilarna flödesmönstret för strömmen via D1, batteri, D3 och tillbaka till transformatorns FINISH eller negativa ledning.

För nästa växelströmscykel vänder polariteten och strömmen rör sig som indikeras av de blå pilarna via kroppsdioden D4, batteriet, D2 och tillbaka till FINISH eller den negativa änden av transformatorlindningen. Detta upprepas växelvis, omvandlar både växelströmscyklerna till likström och laddar batteriet.

Eftersom MOSFETs också är inblandade i systemet måste dock yttersta försiktighet iakttas för att säkerställa att dessa enheter inte skadas under processen, och detta kräver en perfekt växling av växelriktare / laddare.

Praktisk design

Följande diagram visar en praktisk design för att implementera MOSFET-kroppsdioder som en likriktare för ladda ett inverterbatteri , med reläomkopplare.

För att garantera 100% säkerhet för MOSFET i laddningsläget och när du använder karossdioderna med transformatorn AC måste MOSFET-grindarna hållas vid jordpotentialen och vara helt avstängda från matningsströmmen.

För detta implementerar vi två saker, ansluter 1 k motstånd över grinden / källstiftet på alla MOSFET och sätter ett avstängningsrelä i serie med Vcc-matningslinjen för förar-IC.

Avstängningsreläet är en SPDT-reläkontakt med N / C-kontakterna som är seriekopplade med IC-matningsingången. I frånvaro av nätström, förblir N / C-kontakterna aktiva så att batteriförsörjningen når driver IC för att driva MOSFET.

När elnätet är tillgängligt, detta reläet växlar över till N / O-kontakterna som skär av IC Vcc från strömkällan, vilket säkerställer en total avstängning för MOSFET: erna från den positiva enheten.

Vi kan se en annan uppsättning reläkontakter ansluten till transformatorns 220 V nätsida. Denna lindning utgör inverterarens 220V sida. Lindningsändarna är anslutna till polerna på ett DPDT-relä, vars N / O och N / C-kontakter är konfigurerade med elnätets ingång AC respektive belastningen.

I frånvaro av elnätet AC fungerar systemet i växelriktarläge och uteffekten levereras till lasten via DPDT: s N / C-kontakter.

I närvaro av en AC-nätingång aktiveras reläet till N / O-kontakter så att nätet AC kan driva transformatorns 220V-sida. Detta aktiverar i sin tur omriktarens sida på transformatorn och strömmen får passera genom MOSFETs kroppsdioder för laddning av det anslutna batteriet.

Innan DPDT-reläet kan aktiveras, ska SPDT-reläet stänga av drivrutins-IC: ns Vcc från strömförsörjningen. Denna lilla fördröjning av aktiveringen mellan SPDT-reläet och DPDT-reläet måste säkerställas för att garantera 100% säkerhet för MOSFET och för ljudfunktionerna i växelriktare / laddningsläge via kroppsdioderna.

Reläväxlingsfunktioner

Som föreslagits ovan, när nätförsörjning är tillgänglig, bör VDC-sidan SPDT-reläkontakt aktiveras några millisekunder före DPDT-reläet, på transformatorsidan. Men när nätingången misslyckas måste båda reläerna stängas av nästan samtidigt. Dessa villkor kan implementeras med följande krets.

Här förvärvas den operativa likströmsförsörjningen för reläspolen från en standard AC till DC-adapter , ansluten till elnätet.

Detta betyder att nät- / DC-adaptern slår PÅ reläerna när nätet AC är tillgängligt. SPDT-reläet som ansluts direkt till DC-matningen aktiveras snabbt innan DPDT-reläet kan. DPDT-reläet aktiveras några millisekunder senare på grund av närvaron av 10 ohm och 470 uF kondensatorn. Detta säkerställer att MOSFET-drivrutinen IC är inaktiverad innan transformatorn kan svara på nätets AC-ingång vid sin 220 V-sida.

När nätström misslyckas stängs både reläet av nästan samtidigt, eftersom kondensatorn 470uF nu inte har någon effekt på DPDT på grund av seriens omvänd förspända diod.

Detta avslutar vår förklaring beträffande användning av MOSFET-kroppsdioder för laddning av ett inverterbatteri via en enda vanlig transformator. Förhoppningsvis kommer idén att göra det möjligt för många hobbyister att bygga billiga, kompakta automatiska växelriktare med inbyggda batteriladdare med en enda vanlig transformator.