如何使用MOSFET體二極管為逆變器中的電池充電

在這篇文章中，我們?cè)噲D了解如何利用MOSFET的內(nèi)部體二極管通過(guò)用作逆變變壓器的同一變壓器對(duì)電池進(jìn)行充電。

在本文中，我們將研究一個(gè)全橋逆變器概念，并了解如何將其4個(gè)MOSFET的內(nèi)置二極管應(yīng)用于為連接的電池充電。

什么是全橋或H橋逆變器

在我之前的幾篇文章中，我們討論了全橋逆變器電路及其工作原理。

如上圖所示，基本上，在全橋逆變器中，我們有一組 4 個(gè) MOSFET 連接到輸出負(fù)載。對(duì)角連接的MOSFET對(duì)通過(guò)外部振蕩器交替切換，使電池的輸入直流轉(zhuǎn)換為負(fù)載的交流電或交流電。

負(fù)載通常采用變壓器的形式，其低壓初級(jí)與MOSFET電橋連接，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的直流到交流反轉(zhuǎn)。

通常，基于4 N溝道MOSFET的H橋拓?fù)鋺?yīng)用于全橋逆變器，因?yàn)檫@種拓?fù)湓诰o湊功率輸出比方面提供了最有效的工作。

雖然使用4 N溝道逆變器依賴(lài)于具有自舉功能的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器IC，但效率超過(guò)了復(fù)雜性，因此這些類(lèi)型在所有現(xiàn)代全橋逆變器中普遍采用。

MOSFET內(nèi)部體二極管的用途

幾乎所有現(xiàn)代MOSFET中都存在的內(nèi)部體二極管主要用于保護(hù)器件免受連接的感性負(fù)載（如變壓器、電機(jī)、螺線(xiàn)管等）產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)尖峰的影響。

當(dāng)感性負(fù)載通過(guò) MOSFET 漏極導(dǎo)通時(shí)，電能會(huì)瞬間存儲(chǔ)在負(fù)載內(nèi)部，在 MOSFET 關(guān)閉的下一刻，該存儲(chǔ)的電動(dòng)勢(shì)以反極性從 MOSFET 源極反沖回漏極，從而對(duì) MOSFET 造成永久性損壞。

器件漏極/源極兩端存在一個(gè)內(nèi)部體二極管，允許反電動(dòng)勢(shì)尖峰直接通過(guò)二極管，從而防止 MOSFET 可能擊穿，從而阻止了危險(xiǎn)。

使用MOSFET體二極管為逆變器電池充電

我們知道，沒(méi)有電池的逆變器是不完整的，逆變器電池不可避免地需要頻繁充電，以保持逆變器輸出充滿(mǎn)電并處于待機(jī)狀態(tài)。

但是，為電池充電需要變壓器，變壓器必須是高瓦數(shù)類(lèi)型，以確保電池的最佳電流。

將額外的變壓器與逆變變壓器結(jié)合使用也可能非常笨重且成本高昂。因此，找到一種應(yīng)用相同逆變器變壓器為電池充電的技術(shù)聽(tīng)起來(lái)非常有益。

幸運(yùn)的是，MOSFET中存在內(nèi)部體二極管，這使得變壓器可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的繼電器轉(zhuǎn)換序列在逆變器模式和電池充電器模式下切換。

基本工作理念

在下圖中，我們可以看到，每個(gè)MOSFET都配有一個(gè)內(nèi)部體二極管，連接在其漏極/源極引腳上。

二極管的陽(yáng)極與源極引腳連接，而陰極引腳與器件的漏極引腳連接。我們還可以看到，由于MOSFET配置為橋接網(wǎng)絡(luò)，二極管也配置為基本的全橋整流器網(wǎng)絡(luò)格式。

采用幾個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)一些快速轉(zhuǎn)換，使電網(wǎng)交流電能夠通過(guò)MOSFET體二極管為電池充電。

MOSFET內(nèi)部二極管的這種橋式整流網(wǎng)絡(luò)形成實(shí)際上使得使用單個(gè)變壓器作為逆變變壓器和充電器變壓器的過(guò)程非常簡(jiǎn)單。

通過(guò) MOSFET 體二極管的電流方向

下圖顯示了流過(guò)體二極管的電流方向，用于將變壓器交流整流至直流充電電壓

使用交流電源時(shí)，變壓器線(xiàn)交替改變其極性。如左圖所示，假設(shè)START為正極線(xiàn)，橙色箭頭表示電流通過(guò)D1，電池，D3并返回FINISH或變壓器負(fù)極線(xiàn)的流動(dòng)模式。

對(duì)于下一個(gè)交流周期，極性反轉(zhuǎn)，電流按照藍(lán)色箭頭的指示通過(guò)體二極管D4、電池D2移動(dòng)，然后回到變壓器繞組的FINISH或負(fù)極。這不斷交替重復(fù)，將交流循環(huán)轉(zhuǎn)換為直流并為電池充電。

然而，由于MOSFET也參與系統(tǒng)，因此必須格外小心，以確保這些器件在此過(guò)程中不會(huì)損壞，這需要完美的逆變器/充電器轉(zhuǎn)換操作。

實(shí)用設(shè)計(jì)

下圖顯示了將MOSFET體二極管作為整流器進(jìn)行充電的實(shí)用設(shè)計(jì)設(shè)置，該整流器帶有繼電器轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

為了確保 MOSFET 在充電模式下以及將體二極管與變壓器交流電一起使用時(shí) 100% 的安全性，MOSFET 柵極必須保持在地電位，并與電源直流完全切斷。

為此，我們實(shí)現(xiàn)了兩件事，在所有MOSFET的柵極/源極引腳上連接1 k電阻，并與驅(qū)動(dòng)器IC的Vcc電源線(xiàn)串聯(lián)一個(gè)截止繼電器。

截止繼電器是單刀雙擲繼電器觸點(diǎn)，其常閉觸點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)器 IC 電源輸入串聯(lián)。在沒(méi)有交流電源的情況下，常閉觸點(diǎn)保持活動(dòng)狀態(tài)，允許電池電源到達(dá)驅(qū)動(dòng)器 IC，為 MOSFET 供電。

當(dāng)市電交流可用時(shí)，該繼電器切換到常開(kāi)觸點(diǎn)，切斷IC Vcc與電源的連接，從而確保MOSFET與正極驅(qū)動(dòng)器完全切斷。

我們可以看到另一組繼電器觸點(diǎn)與變壓器 220 V 電源側(cè)連接。該繞組構(gòu)成逆變器的輸出220V側(cè)。繞組端與DPDT繼電器的極點(diǎn)連接，其N(xiāo)/O和N/C觸點(diǎn)分別配置有電源電網(wǎng)輸入AC和負(fù)載。

在沒(méi)有市電網(wǎng)交流電的情況下，系統(tǒng)以逆變器模式工作，并通過(guò)DPDT的N/C觸點(diǎn)將功率輸出輸送到負(fù)載。

在存在交流電網(wǎng)輸入的情況下，繼電器激活至常閉觸點(diǎn)，允許電網(wǎng)交流為變壓器的 220V 側(cè)供電。這反過(guò)來(lái)又為變壓器的逆變器側(cè)通電，并允許電流通過(guò)MOSFET的體二極管，為連接的電池充電。

在 DPDT 繼電器能夠激活之前，SPDT 繼電器應(yīng)該切斷驅(qū)動(dòng)器 IC 的 Vcc 與電源的連接。必須確保單刀雙擲繼電器和雙刀雙擲繼電器之間的激活有輕微的延遲，以保證MOSFET和通過(guò)體二極管的逆變器/充電模式的良好操作的100%安全性。

繼電器轉(zhuǎn)換操作

如上所述，當(dāng)市電可用時(shí)，Vcc 側(cè) SPDT 繼電器觸點(diǎn)應(yīng)在變壓器側(cè)的 DPDT 繼電器之前幾毫秒激活。但是，當(dāng)電源輸入發(fā)生故障時(shí)，兩個(gè)繼電器必須幾乎同時(shí)關(guān)閉。這些條件可以使用以下電路實(shí)現(xiàn)。

在這里，繼電器線(xiàn)圈的工作直流電源是從標(biāo)準(zhǔn)交流到直流適配器獲取的，該適配器與電網(wǎng)電源插頭一起。

這意味著，當(dāng)電網(wǎng)交流可用時(shí)，交流/直流適配器打開(kāi)繼電器。直接連接到直流電源的單刀雙擲繼電器在雙刀雙擲繼電器之前快速激活。由于存在 10 歐姆和 470 uF 電容器，DPDT 繼電器在幾毫秒后激活。這可確保在變壓器能夠響應(yīng)其220 V側(cè)的電網(wǎng)交流輸入之前禁用MOSFET驅(qū)動(dòng)器IC。

當(dāng)市電交流發(fā)生故障時(shí)，兩個(gè)繼電器幾乎同時(shí)關(guān)閉，因?yàn)橛捎诖?lián)反向偏置二極管，470uF電容器現(xiàn)在對(duì)DPDT沒(méi)有影響。

關(guān)于使用MOSFET體二極管通過(guò)單個(gè)公共變壓器為逆變器電池充電的解釋到此結(jié)束。希望這個(gè)想法將允許許多業(yè)余愛(ài)好者使用單個(gè)通用變壓器構(gòu)建帶有內(nèi)置電池充電器的廉價(jià)，緊湊的自動(dòng)逆變器。