如何使用MOSFET体二极管为逆变器中的电池充电

在这篇文章中，我们试图了解如何利用MOSFET的内部体二极管通过用作逆变变压器的同一变压器对电池进行充电。

在本文中，我们将研究一个全桥逆变器概念，并了解如何将其4个MOSFET的内置二极管应用于为连接的电池充电。

什么是全桥或H桥逆变器

在我之前的几篇文章中，我们讨论了全桥逆变器电路及其工作原理。

如上图所示，基本上，在全桥逆变器中，我们有一组 4 个 MOSFET 连接到输出负载。对角连接的MOSFET对通过外部振荡器交替切换，使电池的输入直流转换为负载的交流电或交流电。

负载通常采用变压器的形式，其低压初级与MOSFET电桥连接，以实现预期的直流到交流反转。

通常，基于4 N沟道MOSFET的H桥拓扑应用于全桥逆变器，因为这种拓扑在紧凑功率输出比方面提供了最有效的工作。

虽然使用4 N沟道逆变器依赖于具有自举功能的专用驱动器IC，但效率超过了复杂性，因此这些类型在所有现代全桥逆变器中普遍采用。

MOSFET内部体二极管的用途

几乎所有现代MOSFET中都存在的内部体二极管主要用于保护器件免受连接的感性负载（如变压器、电机、螺线管等）产生的反电动势尖峰的影响。

当感性负载通过 MOSFET 漏极导通时，电能会瞬间存储在负载内部，在 MOSFET 关闭的下一刻，该存储的电动势以反极性从 MOSFET 源极反冲回漏极，从而对 MOSFET 造成永久性损坏。

器件漏极/源极两端存在一个内部体二极管，允许反电动势尖峰直接通过二极管，从而防止 MOSFET 可能击穿，从而阻止了危险。

使用MOSFET体二极管为逆变器电池充电

我们知道，没有电池的逆变器是不完整的，逆变器电池不可避免地需要频繁充电，以保持逆变器输出充满电并处于待机状态。

但是，为电池充电需要变压器，变压器必须是高瓦数类型，以确保电池的最佳电流。

将额外的变压器与逆变变压器结合使用也可能非常笨重且成本高昂。因此，找到一种应用相同逆变器变压器为电池充电的技术听起来非常有益。

幸运的是，MOSFET中存在内部体二极管，这使得变压器可以通过一些简单的继电器转换序列在逆变器模式和电池充电器模式下切换。

基本工作理念

在下图中，我们可以看到，每个MOSFET都配有一个内部体二极管，连接在其漏极/源极引脚上。

二极管的阳极与源极引脚连接，而阴极引脚与器件的漏极引脚连接。我们还可以看到，由于MOSFET配置为桥接网络，二极管也配置为基本的全桥整流器网络格式。

采用几个继电器实现一些快速转换，使电网交流电能够通过MOSFET体二极管为电池充电。

MOSFET内部二极管的这种桥式整流网络形成实际上使得使用单个变压器作为逆变变压器和充电器变压器的过程非常简单。

通过 MOSFET 体二极管的电流方向

下图显示了流过体二极管的电流方向，用于将变压器交流整流至直流充电电压

使用交流电源时，变压器线交替改变其极性。如左图所示，假设START为正极线，橙色箭头表示电流通过D1，电池，D3并返回FINISH或变压器负极线的流动模式。

对于下一个交流周期，极性反转，电流按照蓝色箭头的指示通过体二极管D4、电池D2移动，然后回到变压器绕组的FINISH或负极。这不断交替重复，将交流循环转换为直流并为电池充电。

然而，由于MOSFET也参与系统，因此必须格外小心，以确保这些器件在此过程中不会损坏，这需要完美的逆变器/充电器转换操作。

实用设计

下图显示了将MOSFET体二极管作为整流器进行充电的实用设计设置，该整流器带有继电器转换开关。

为了确保 MOSFET 在充电模式下以及将体二极管与变压器交流电一起使用时 100% 的安全性，MOSFET 栅极必须保持在地电位，并与电源直流完全切断。

为此，我们实现了两件事，在所有MOSFET的栅极/源极引脚上连接1 k电阻，并与驱动器IC的Vcc电源线串联一个截止继电器。

截止继电器是单刀双掷继电器触点，其常闭触点与驱动器 IC 电源输入串联。在没有交流电源的情况下，常闭触点保持活动状态，允许电池电源到达驱动器 IC，为 MOSFET 供电。

当市电交流可用时，该继电器切换到常开触点，切断IC Vcc与电源的连接，从而确保MOSFET与正极驱动器完全切断。

我们可以看到另一组继电器触点与变压器 220 V 电源侧连接。该绕组构成逆变器的输出220V侧。绕组端与DPDT继电器的极点连接，其N/O和N/C触点分别配置有电源电网输入AC和负载。

在没有市电网交流电的情况下，系统以逆变器模式工作，并通过DPDT的N/C触点将功率输出输送到负载。

在存在交流电网输入的情况下，继电器激活至常闭触点，允许电网交流为变压器的 220V 侧供电。这反过来又为变压器的逆变器侧通电，并允许电流通过MOSFET的体二极管，为连接的电池充电。

在 DPDT 继电器能够激活之前，SPDT 继电器应该切断驱动器 IC 的 Vcc 与电源的连接。必须确保单刀双掷继电器和双刀双掷继电器之间的激活有轻微的延迟，以保证MOSFET和通过体二极管的逆变器/充电模式的良好操作的100%安全性。

继电器转换操作

如上所述，当市电可用时，Vcc 侧 SPDT 继电器触点应在变压器侧的 DPDT 继电器之前几毫秒激活。但是，当电源输入发生故障时，两个继电器必须几乎同时关闭。这些条件可以使用以下电路实现。

在这里，继电器线圈的工作直流电源是从标准交流到直流适配器获取的，该适配器与电网电源插头一起。

这意味着，当电网交流可用时，交流/直流适配器打开继电器。直接连接到直流电源的单刀双掷继电器在双刀双掷继电器之前快速激活。由于存在 10 欧姆和 470 uF 电容器，DPDT 继电器在几毫秒后激活。这可确保在变压器能够响应其220 V侧的电网交流输入之前禁用MOSFET驱动器IC。

当市电交流发生故障时，两个继电器几乎同时关闭，因为由于串联反向偏置二极管，470uF电容器现在对DPDT没有影响。

关于使用MOSFET体二极管通过单个公共变压器为逆变器电池充电的解释到此结束。希望这个想法将允许许多业余爱好者使用单个通用变压器构建带有内置电池充电器的廉价，紧凑的自动逆变器。