用碳化硅MOSFET設(shè)計一個雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

電池供電的便攜設(shè)備越來越多，在今日生活中扮演的角色也越來越重要。這個趨勢還取決于高能量儲存技術(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(shè)備連接到可再生能源系統(tǒng)(太陽能和風能)，收集和儲存能源，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(zhuǎn)換器，其雙向性允許電流產(chǎn)生器同時具備充電和放電能力。雙向控制器可以車用雙電池系統(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幅降低了系統(tǒng)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運作模式。它由四個級聯(lián)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的單相象限組成，包括四個開關(guān)、一個電感器和兩個電容器。根據(jù)不同電子開關(guān)的功能，電路可以降低或升高輸入電壓。開關(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(zhuǎn)換器接線圖

四種運作模式

用戶可以簡單配置四個MOSFET來決定電路的運作模式，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運作：

• 導通，對地為正電壓；
  
• 關(guān)斷，電壓為0；
  
• 脈動(Pulsating)，具方波和50% PWM；其頻率應根據(jù)具體運作條件進行選擇。
  

根據(jù)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(zhuǎn)換器。這種電路也稱為“step-down”，其電壓產(chǎn)生器需連接在A側(cè)，而負載連接在B側(cè)。負載效率取決于所采用的MOSFET組件。具體配置如下：

• SW1：以10 kHz方波頻率進行切換；
  
• SW2：關(guān)斷，即斷開開關(guān)；
  
• SW3：關(guān)斷，即斷開開關(guān)；
  
• SW4：關(guān)斷，即斷開開關(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(zhuǎn)換器。這種電路也稱為“step-up”。 電壓產(chǎn)生器需連接在A側(cè)，而負載連接在B側(cè)。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)閉開關(guān)(閘極供電)；
  
• SW2：關(guān)斷，即斷開開關(guān)；
  
• SW3：關(guān)斷，即斷開開關(guān)；
  
• SW4：以10kHz方波頻率進行切換。
  

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(zhuǎn)換器。其電壓產(chǎn)生器需連接在B側(cè)，而負載連接在A側(cè)，負載效率取決于所采用的MOSFET組件。具體配置如下：

• SW1：關(guān)斷，即斷開開關(guān)；
  
• SW2：關(guān)斷，即斷開開關(guān)；
  
• SW3：以100 kHz方波頻率進行切換；
  
• SW4：關(guān)斷，即斷開開關(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(zhuǎn)換器。這種電路也稱為“step-up”，其電壓產(chǎn)生器需連接在B側(cè)，而負載連接在A側(cè)。負載效率取決于所采用的MOSFET組件。具體配置如下：

• SW1：關(guān)斷，即斷開開關(guān)；
  
• SW2：以100 kHz方波頻率進行切換；
  
• SW3：導通，即關(guān)閉開關(guān)（柵級供電）；
  
• SW4：關(guān)斷，即斷開開關(guān)。
  

圖6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(guān)頻率選擇為100 kHz，輸出端負載為22 Ohm，功耗約為22W。

圖6：Boost B-A模式下的輸入和輸出電壓

結(jié)語

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(如圖7)。另外，這種配有四個功率開關(guān)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，從而損壞組件。

圖7：Boost A-B模式下，電感上的脈動電壓和電流曲線圖

文章編輯：ednchina Power Electronics News編輯團隊

編輯：ymf