FET som protection diode?

[rolex42]

Tim Nolan solcellsregulator har en FET som används istf diod för att skydda solcell mot backström.

TimNolanFET1.png

Tim Nolans förklaring "Q1 is the blocking MOSFET that keeps the battery power from flowing back into the solar panels at night. Normally this is done by a diode in the power path but a since all diodes have a voltage drop a MOSFET is much more efficient. Notice that Q1 is turned around so the intrinsic MOSFET diode does not conduct. Q1 turns on when Q2 is on from voltage through D2. R3 drains the voltage off the gate of Q1 so it turns off when Q2 turns off."
FETen är en IRFIZ44
Min tolkning är att "intrinsic diode" (även kallad "body diode" om jag förstått rätt. se bla Power MOSFET Basics). Ritar man in den i schemat borde det bli så här.

TimNolanFET2.png

"the intrinsic MOSFET diode does not conduct"
Det är väl det den gör när när solpanelen ger spänning, och dioden förhindrar backström. Men varför vill man att "Q1 turns on when Q2 is on"?

[Icecap]

Det vill man för att det inte finns behov av det innan och att det är ett enkelt sätt att skydda mot backspänning.

Sedan är det lite skitsnack med "but since all diodes have a voltage drop a MOSFET is much more efficient"! En väl vald diod kan kanske tappa 0,8V i framriktningen och då solceller aldrig är precis på rätt spänning för att ladda ändå är de t.ex. på 16V eller så. De fungerar ju ändå som en strömgenerator så länge spänningen är hög nog och utgår vi ifrån ett 12V system blir den minimala laddspänningen ju ändå 13,4V.

Om man då tappar 0,8V över dioden är det en förlust på 6% och visst, det är en förlust men "much more efficient"??? Och rent faktisk är det INTE en förlust alls om inte man har en switch-mode omvandlare för laddningen, panelen ger ju en konstant ström ändå. Men har man paneler som ligger på gränsen rent spänningsmässigt kan det ha betydelse.

[4kTRB]

Han vill komma bort ifrån spänningsförlusten över dioden.
En bottnad NPN ger 0.2V Uce. Vissa typer av dioder ger också
lågt spänningsfall men de kanske blir dyrare än en billig mos med
den ström som ska ledas.

[exile]

Om man inte slår på Q1 så kommer spännings fallet vara ungefär lika som en diod alltså ingen "vinst", att han slår på Q1 samtidigt som Q2 är för att han då inte behöver en extra drivar till Q1 vilket spar lite komponenteter.

Och rent faktisk är det INTE en förlust alls om inte man har en switch-mode omvandlare för laddningen, panelen ger ju en konstant ström ändå.

Solpanelerna ger maximal effekt vid en viss spänning (som variera beroende på temperatur och sol) om man kan hålla den kan man få ut lite extra effekt vilket ger mer ström till batterierna.

[Icecap]

Och vilken skillnad är det om spänningen stiger 0,8V?

[rolex42]

Jag är tveksam till att denna koppling fungerar som tänkt.
Nedan ett försök till simulering.

ReverseNFET.png

ReverseNFETraw.png

Det finns andra lösningar med P-ch FET (ex mosswitch).
Iofs är väl kanske kostnaden för P-ch FET orimligt stor i detta fall.

ReversePFET.png

ReversePFETraw.png

[rolex42]

Jag anar att man inte kan simulera på det sättet jag gjorde ovan. Solpanelen genererar ju aldrig negativ spänning ...
Det blir nog lite mer korrekt så här.

ReverseNFET_2.png

Ex kurva

ReverseNFETraw_2.png

Det kanske fungerar trots allt ...

[rolex42]

Det är ju Vgs som avgör om FETen är "on" eller inte. Och vi vill att FET ska vara "on" när solen skiner, för att få "vinsten".

Om man inte slår på Q1 så kommer spännings fallet vara ungefär lika som en diod alltså ingen "vinst"

Vgsth är 4V men 5V från styrpulsen räcker inte för att åstadkomma den skillnaden mellan gate o source. Därför driver Tim Nolan gate med en IR2104
Höjer man puls-spänningen till 15V ger simuleringen

ReverseNFETraw_3.png

Jag har svårt att se "vinsten" i simuleringarna men den kanske finns där ändå ...

Men det är väl inte rätt att Vgs går i "motsatt fas", dvs låg när solpanelen är hög.
Jämför med om man användet LTC4357

ReverseLTC4357NFET.png

ReverseLTC4357NFET_raw.png

[exile]

Och vilken skillnad är det om spänningen stiger 0,8V?

Exempel:
Pmax inträffar vid 16V och 5A och att verkningsgraden step-down omvandlaren är 90% och att batteriet har för till fället 13.4volt över sig.
om spänningen skillnaden är 0.5volt får vi:
med diod (16V - 0.5V) * 5A / 13.4V *.9 ~ 5.21A
med Mosfet 16V * 5A / 13.4V .9 ~ 5.37A
Man får för en ca 20kr mer lite bättre verkningsgrad.

[exile]

Jag är tveksam till att denna koppling fungerar som tänkt.
Nedan ett försök till simulering.

Nja, du har tagit bort vitala delar ur kretsen så den kommer inte göra som du vill.
Bland annat avr som avgör om spänningen från solpanelen är tillräckligt hög för att kunna ladda batteriet, dels gatedrivern som fungerar lite som en chargpump och höjer spänningen till gaten för Q1. Delvis kommer spänningen vara över in spänningen från solpanelerna på Q1s gate (den kommer att pulsera). Man skulle ha sluppit Q1 om det inte hade varit för parasit dioden i Q2.

[rolex42]

OK, låter rimligt.
Men om man nu tycker det är värt de extra pengarna och komplexiteten kanske man lika gärna kan ta en High-side switch.
Ex BTS555 har Reverse battery protection och en del annat.

[exile]

Så komplext är det väll inte? Det är bar två komponenter extra jämför med dioden.

[Icecap]

Kopplingen har såklart ett berättigande, i detta fall ger den en vinst på 3% och är man på gång med att klämma ut de sista dropparna ska man ta med allt och investeringen är ju minimal.

[lond]

På jobbet har man gått ifrån att använda dioder som polaritetsskydd på dom produkterna som drar mycket ström, för att ha så lågt spänningsfall fram till DC/DC-omvandlarna. En fördel är att man kan styra dom för att kunna växla mellan dom 2 matningarna till enheten och i och med att spänningsfallet minskar över komponenten, så minskar även värmen som den avger.
Skall se om jag kan fixa en bild på hur uppkopplingen ser ut.

/// Marcus

[rolex42]

Filmtips i ämnet P-FET Reverse Voltage Polarity Protection