为了实现电流的双向流动,通常采用背靠背串联MOSFET的方式,形成一个双向开关。本文将分析背靠背MOSFET的工作原理,并探讨其在双向电流控制中的应用。
Ⅰ、背靠背串联MOSFET的双向导通原理
MOSFET本质上是一个单向导通的开关,源极与漏极之间的电流只能沿着“漏极 → 源极”方向流动,而体二极管则决定了其反向特性。为了实现双向导通和双向阻断,需要采用两个MOSFET背靠背串联的方式来构建一个完整的双向开关。
背靠背串联MOSFET的基本结构如下:
其中,两个MOSFET的漏极(Drain)或者源极(Source)相连,形成一个对称的双向开关结构。根据连接方式,常见的背靠背MOSFET拓扑有以下两种形式:
共漏极(Common Drain)结构:
源极分别连接到输入和输出端,漏极相互连接。
适用于高压阻断场景。
共源极(Common Source)结构:
漏极分别连接到输入和输出端,源极相互连接。
适用于低压高频开关应用。
双向导通的工作机制
在双向导通模式下,两个MOSFET都需要导通,以允许电流在任意方向流动。设两个MOSFET分别为 Q1 和 Q2,栅极控制信号为 G1 和 G2。当两个MOSFET的栅极同时施加足够的驱动电压(Vgs > Vth,通常10V以上),两者均进入导通状态,实现双向导电。
正向电流(从左到右):MOSFET Q1 的漏极 → 源极导通,同时Q2 的体二极管也可导通,从而允许电流流动。
反向电流(从右到左):MOSFET Q2 的漏极 → 源极导通,同时Q1 的体二极管导通,电流方向与正向相反。
双向阻断的工作机制
当两个MOSFET的栅极信号均为低电平(Vgs < Vth),MOSFET进入关断状态。由于两个MOSFET的体二极管是相反方向的,任何方向的电流都无法导通,从而形成双向阻断状态。
如此,关断时可同时阻断正反两个方向的电压,提高系统安全性。
Ⅱ、背靠背MOSFET的典型应用
2.1AC开关电路
在AC电源控制应用中,由于电流是交流信号,需要能够控制双向电流的开关。因此,传统的单向MOSFET无法直接用于AC开关,而背靠背串联MOSFET则能够有效实现AC电流的开关控制。例如:
固态继电器(SSR):利用背靠背MOSFET实现无触点电子开关,提高开关寿命和可靠性。
交流电压调节器:用于调节交流负载电压,如LED驱动和智能电网系统。
2.2电池管理系统(BMS)
在电池保护电路中,电流可能会双向流动。例如,在充电模式下,电流从充电器流入电池;而在放电模式下,电流从电池流向负载。
背靠背MOSFET用于充放电控制,可确保充放电路径的完全隔离,避免反向充电导致的安全问题。
2.3 双向DC-DC变换器
在新能源系统(如电动汽车、光伏储能系统)中,双向DC-DC变换器需要在充放电之间切换,而背靠背MOSFET可以有效控制双向能量流动,提高系统能效。例如:
电动汽车充放电:车辆在充电时,电流流向电池;而在V2G(Vehicle-to-Grid)模式下,电池电流需要反向流回电网,背靠背MOSFET可实现高效的双向转换。
背靠背串联MOSFET是一种高效的双向开关方案,广泛应用于AC控制、电池管理、双向DC-DC变换器等领域。其基本原理是利用两个MOSFET的对称结构,使其能够在双向导通时降低损耗,并在关断时完全阻断电流,从而实现高效、安全的双向控制。
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