碳化硅MOSFET設計的雙向降壓-升壓轉換器-KIA MOS管

電池供電的便攜設備越來(lái)越多，在今日生活中扮演的角色也越來(lái)越重要。這個(gè)趨勢還取決于高能量?jì)Υ婕夹g(shù)的發(fā)展，例如鋰離子(Li-ion)電池和超級電容器。

這些儲能設備連接到可再生能源系統(太陽(yáng)能和風(fēng)能)，收集和儲存能源，并穩定提供給用戶(hù)，其中一些應用需要快速充電或放電。

本文介紹的是一種雙向DC-DC轉換器，其雙向性允許電流產(chǎn)生器同時(shí)具備充電和放電能力。雙向控制器可以車(chē)用雙電池系統提供出色的性能和便利性。

而且在降壓和升壓模式中采用相同的電路模塊大幅降低了系統的復雜性和尺寸，甚至可以取得高達97%的能源效率，并且可以控制雙向傳遞的大電流。

電氣原理

圖1顯示了簡(jiǎn)單但功能齊全的電氣圖，其對稱(chēng)配置可讓用戶(hù)選擇四種不同的運作模式。它由四個(gè)級聯(lián)降壓-升壓轉換器的單相象限組成，包括四個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)電感器和兩個(gè)電容器。

根據不同電子開(kāi)關(guān)的功能，電路可以降低或升高輸入電壓。開(kāi)關(guān)組件由碳化硅(SiC) MOSFET UF3C065080T3S組成，當然也可以用其他組件代替。

圖1：雙向降壓-升壓轉換器接線(xiàn)圖

四種運作模式

用戶(hù)可以簡(jiǎn)單配置四個(gè)MOSFET來(lái)決定電路的運作模式，具體包括如下四種：

電池位于A(yíng)端，負載位于B端，從A到B為降壓；

電池位于A(yíng)端，負載位于B端，從A到B為升壓；

電池位于B端，負載位于A(yíng)端，從B到A為降壓；

電池位于B端，負載位于A(yíng)端，從B到A為升壓；

在該電路中，SiC MOSFET可以三種不同的方式運作：

導通，對地為正電壓；

關(guān)斷，電壓為0；

脈動(dòng)(Pulsating)，具方波和50% PWM；其頻率應根據具體運作條件進(jìn)行選擇。

根據這些標準，SiC MOSFET的功能遵循圖2中所示的表格：

圖2：四個(gè)SiC MOSFET的運作模式和作用

模式一：降壓(Buck)A-B

選擇模式一，電路做為降壓器，即輸出電壓低于輸入電壓的轉換器。這種電路也稱(chēng)為“step-down”，其電壓產(chǎn)生器需連接在A(yíng)側，而負載連接在B側。負載效率取決于所采用的MOSFET組件。

具體配置如下：

SW1：以10 kHz方波頻率進(jìn)行切換；

SW2：關(guān)斷，即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)；

SW3：關(guān)斷，即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)；

SW4：關(guān)斷，即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。

圖3中顯示了Buck A-B模式下的輸入和輸出電壓；其輸入電壓為12V，輸出電壓約為9V，因此電路可用作降壓器。其開(kāi)關(guān)頻率選擇為10kHz，輸出端負載為22Ohm，功耗約為4W。

圖3：Buck A-B模式下的輸入和輸出電壓

模式二：升壓A-B

模式二提供升壓操作，即作為輸出電壓高于輸入電壓的轉換器。這種電路也稱(chēng)為“step-up”。 電壓產(chǎn)生器需連接在A(yíng)側，而負載連接在B側。負載效率取決于所采用的MOSFET組件。

具體配置如下：

SW1：導通，即關(guān)閉開(kāi)關(guān)(閘極供電)；

SW2：關(guān)斷，即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)；

SW3：關(guān)斷，即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)；

SW4：以10kHz方波頻率進(jìn)行切換。

圖4顯示了Boost A-B模式下的輸入和輸出電壓，其輸入電壓為12V，輸出電壓約為35V，因此電路可用作升壓器。其開(kāi)關(guān)頻率選擇為10kHz，輸出端負載為22Ohm，功耗約為55W。

圖4：Boost A-B模式下的輸入和輸出電壓

模式三：降壓B-A

選擇模式三，電路也做為降壓器運作，即輸出電壓低于輸入電壓的轉換器。其電壓產(chǎn)生器需連接在B側，而負載連接在A(yíng)側，負載效率取決于所采用的MOSFET組件。

具體配置如下：

SW1：關(guān)斷，即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)；

SW2：關(guān)斷，即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)；

SW3：以100 kHz方波頻率進(jìn)行切換；

SW4：關(guān)斷，即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。

圖5顯示了Buck B-A模式下的輸入和輸出電壓。

其輸入電壓為24 V，輸出電壓約為6.6V，因此電路可用作降壓器。其開(kāi)關(guān)頻率選擇為100kHz，輸出端負載為10Ohm。

圖5：Buck B-A模式下的輸入和輸出電壓

模式四：升壓B-A

選擇模式四，電路作為升壓器運作，即輸出電壓高于輸入電壓的轉換器。這種電路也稱(chēng)為“step-up”，其電壓產(chǎn)生器需連接在B側，而負載連接在A(yíng)側。負載效率取決于所采用的MOSFET組件。

具體配置如下：

SW1：關(guān)斷，即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)；

SW2：以100 kHz方波頻率進(jìn)行切換；

SW3：導通，即關(guān)閉開(kāi)關(guān)（柵級供電）；

SW4：關(guān)斷，即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。

顯示了Boost B-A模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為18V，輸出電壓約為22V，因此電路可用作升壓器。其開(kāi)關(guān)頻率選擇為100 kHz，輸出端負載為22 Ohm，功耗約為22W。

結語(yǔ)

電路的效率取決于許多因素，首先是所采用的MOSFET導通電阻Rds(on)，它決定了電流是否容易通過(guò)。

另外，這種配有四個(gè)功率開(kāi)關(guān)的電路需要進(jìn)行認真的安全檢查；如果SW1和SW2 (或SW3和SW4)同時(shí)處于導通狀態(tài)，則可能造成短路，從而損壞組件。

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