用碳化矽MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器

2021-01-08 EDN電子設計技術

隨著電池和超級電容等高效蓄能器的大量使用，更好的電流控制成為一種趨勢。而雙向DC/DC轉換器可以保持電池健康，並延長其使用壽命。6nTednc

簡介

電池供電的可攜式設備越來越多，在如今的生活中扮演的角色也愈發重要。這個趨勢還取決於高能量存儲技術的發展，例如鋰離子（Li-ion）電池和超級電容器。這些蓄能器連接到可再生能源系統（太陽能和風能），收集和存儲能源，並穩定提供給用戶。其中一些應用需要快速充電或放電。這裡我們將要介紹的是一種雙向DC-DC轉換器，其雙向性允許電流發生器同時具備充電和放電能力。雙向控制器可以為汽車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採用相同的電路模塊，大大降低了系統的複雜性和尺寸，甚至可以獲得高達97％的能源效率，並且可以控制雙向傳遞的最大電流。6nTednc

電氣原理

圖1顯示了簡單但功能齊全的電氣圖，其對稱配置可讓用戶選擇四種不同的工作模式。它由四個級聯降壓-升壓轉換器的單相象限組成，包括四個開關、一個電感器和兩個電容器。根據不同電子開關的功能，電路可以降低或升高輸入電壓。開關元件由碳化矽(SiC) MOSFET UF3C065080T3S組成，當然也可以用其它器件代替。6nTednc

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圖1：雙向降壓-升壓轉換器接線圖6nTednc

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四種工作模式

用戶可以簡單配置四個MOSFET來決定電路的工作模式，具體包括如下四種：6nTednc

電池位於「A」端，負載位於「B」端，從「A」到「B」為降壓 電池位於「A」端，負載位於「B」端，從「A」到「B」為升壓 電池位於「B」端，負載位於「A」端，從「B」到「A」為降壓 電池位於「B」端，負載位於「A」端，從「B」到「A」為升壓

在該電路中，SiC MOSFET可以三種不同的方式工作：6nTednc

導通，對地為正電壓； 關斷，電壓為0； 脈動，具方波和50%PWM。其頻率應根據具體工作條件進行選擇。

根據這些標準，SiC MOSFET的功能遵循圖2中所示的表格。6nTednc

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圖2：四個SiC MOSFET的工作模式和作用6nTednc

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模式一：降壓（Buck）A-B

選擇模式一，電路將作為降壓器工作，即輸出電壓低於輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為「step-down」。 其電壓發生器需連接在A側，而負載連接在B側。負載效率取決於所採用的MOSFET器件。具體配置如下：6nTednc

SW1：以10 kHz方波頻率進行切換 SW2：關斷，即斷開開關 SW3：關斷，即斷開開關 SW4：關斷，即斷開開關

圖3中的曲線圖顯示了Buck A-B模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為12 V，輸出電壓約為9 V，因此電路可用作降壓器。其開關頻率選擇為10 kHz，輸出端負載為22 Ohm，功耗約為4W。6nTednc

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圖3：Buck A-B模式下的輸入和輸出電壓。6nTednc

模式二：升壓A-B

模式二提供升壓操作，即作為輸出電壓高於輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為「step-up」。 電壓發生器需連接在A側，而負載連接在B側。負載效率取決於所採用的MOSFET器件。具體配置如下：6nTednc

SW1：導通，即關閉開關（柵級供電） SW2：關斷，即斷開開關 SW3：關斷，即斷開開關 SW4：以10 kHz方波頻率進行切換

圖4中的曲線圖顯示了Boost A-B模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為12 V，輸出電壓約為35V，因此電路可用作升壓器。其開關頻率選擇為10 kHz，輸出端負載為22 Ohm，功耗約為55W。6nTednc

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圖4：Boost A-B模式下的輸入和輸出電壓。6nTednc

模式三：降壓B-A

選擇模式三，電路也作為降壓器工作，即輸出電壓低於輸入電壓的轉換器。其電壓發生器需連接在B側，而負載連接在A側。負載效率取決於所採用的MOSFET器件。具體配置如下：6nTednc

SW1：關斷，即斷開開關 SW2：關斷，即斷開開關 SW3：以100 kHz方波頻率進行切換 SW4：關斷，即斷開開關

圖5中的曲線圖顯示了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。其開關頻率選擇為100 kHz，輸出端負載為10 Ohm。6nTednc

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圖5：Buck B-A模式下的輸入和輸出電壓.6nTednc

模式四：升壓B-A

選擇模式四，電路作為升壓器工作，即輸出電壓高於輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為「step-up」。其電壓發生器需連接在B側，而負載連接在A側。負載效率取決於所採用的MOSFET器件。具體配置如下：6nTednc

SW1：關斷，即斷開開關 SW2：以100 kHz方波頻率進行切換 SW3：導通，即關閉開關（柵級供電） SW4：關斷，即斷開開關

圖6中的曲線圖顯示了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。其開關頻率選擇為100 kHz，輸出端負載為22 Ohm，功耗約為22W。6nTednc

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圖6：Boost B-A模式下的輸入和輸出電壓。6nTednc

結論

電路的效率取決於許多因素，首先是所採用的MOSFET導通電阻Rds（on），它決定了電流是否容易通過（見圖7）。 另外，這種配有四個功率開關的電路需要進行認真的安全檢查。 如果SW1和SW2（或SW3和SW4）同時處於導通狀態，則可能造成短路，從而損壞器件。6nTednc

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圖7：Boost A-B模式下，電感上的脈動電壓和電流曲線圖。6nTednc

（本文授權編譯自EDN姐妹網站Power Electronics News，原文參考連結：Let’s build a Bidirectional Buck-Boost Converter with SiC MOSFET。）6nTednc

責編：Jenny Liao6nTednc

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