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如何用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器?

發(fā)布時間:2021-04-15 責任編輯:lina

【導讀】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,并延長其使用壽命。
  
摘要
 
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,并延長其使用壽命。
 
簡介
 
電池供電的便攜式設備越來越多,在如今的生活中扮演的角色也愈發(fā)重要。這個趨勢還取決于高能量存儲技術的發(fā)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(tǒng)(太陽能和風能),收集和存儲能源,并穩(wěn)定提供給用戶。其中一些應用需要快速充電或放電。這里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(fā)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(tǒng)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,大大降低了系統(tǒng)的復雜性和尺寸,甚至可以獲得高達97%的能源效率,并且可以控制雙向傳遞的最大電流。
 
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(lián)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。開關元件由碳化硅(SiC) MOSFET UF3C065080T3S組成,當然也可以用其它器件代替。
 
如何用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器?
圖1:雙向降壓-升壓轉換器接線圖
 
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:
 
電池位于“A”端,負載位于“B”端,從“A”到“B”為降壓
 
電池位于“A”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”端,從“B”到“A”為降壓
 
電池位于“B”端,負載位于“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:
 
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。
 
如何用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器?
圖2:四個SiC MOSFET的工作模式和作用
 
模式一:降壓(Buck)A-B
 
選擇模式一,電路將作為降壓器工作,即輸出電壓低于輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為“step-down”。 其電壓發(fā)生器需連接在A側,而負載連接在B側。負載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下:
 
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。
 
如何用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器?
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。這種電路也稱為“step-up”。 電壓發(fā)生器需連接在A側,而負載連接在B側。負載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下:
 
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。
 
如何用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器?
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,電路也作為降壓器工作,即輸出電壓低于輸入電壓的轉換器。其電壓發(fā)生器需連接在B側,而負載連接在A側。負載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下:
 
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。
 
如何用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器?
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,電路作為升壓器工作,即輸出電壓高于輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為“step-up”。其電壓發(fā)生器需連接在B側,而負載連接在A側。負載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下:
 
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。
 
如何用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器?
圖6:Boost B-A模式下的輸入和輸出電壓。
 
結論
 
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(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)同時處于導通狀態(tài),則可能造成短路,從而損壞器件。
 
如何用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器?
圖7:Boost A-B模式下,電感上的脈動電壓和電流曲線圖。
(轉載來源:電子發(fā)燒友)
 
 
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