用碳化矽MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器

作者 : Power Electronics News編輯團隊

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。

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。

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越來越重要。這個趨勢還取決於高能量儲存技術的發展,例如鋰離子(Li-ion)電池和超級電容。這些蓄能器連接到可再生能源系統(太陽能和風能),收集和儲存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。本文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組,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。

電氣原理

圖1顯示了簡單但功能齊全的電氣圖,其對稱配置可讓使用者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、一個電感和兩個電容。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,當然也可以用其他元件代替。

圖1 雙向降壓-升壓轉換器接線圖。

四種工作模式

使用者可以簡單配置四個MOSFET來決定電路的工作模式,具體包括以下四種:

  • 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:

  • 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。

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元件,實際配置如下:

  • SW1:以10kHz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12V,輸出電壓約為9V,因此電路可用作降壓器。其開關頻率選擇為10kHz,輸出端負載為22Ω,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,即作為輸出電壓高於輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為「step-up」。電壓產生器需連接在A側,而負載連接在B側。負載效率取決於所採用的MOSFET元件,具體配置如下:

  • SW1:導通,即關閉開關(閘級供電);
  • SW2:關斷,即斷開開關;
  • SW3:關斷,即斷開開關;
  • SW4:以10kHz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12V,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10kHz,輸出端負載為22Ω,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元件,具體配置如下:

  • SW1:關斷,即斷開開關;
  • SW2:關斷,即斷開開關;
  • SW3:以100kHz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24V,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100kHz,輸出端負載為10Ω。

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元件,具體配置如下:

  • SW1:關斷,即斷開開關;
  • SW2:以100kHz方波頻率進行切換;
  • SW3:導通,即關閉開關(閘級供電);
  • 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100kHz,輸出端負載為22Ω,功耗約為22W。

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(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,進而損壞元件。

圖7 Boost A-B模式下,電感上的脈動電壓和電流曲線圖。

(參考原文:Let’s build a Bidirectional Buck-Boost Converter with SiC MOSFET,by Power Electronics News編輯團隊,EDN China Jenny Liao編譯)

本文原刊登於EDN China網站

 

 

 

 

 

 

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