碳化硅MOSFET設計的雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-12-15
電池供電的便攜設備越來越多，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(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。
本文介紹的是一種雙向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大電流。
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、一個電感器和兩個電容器。
根據(jù)不同電子開關的功能，電路可以降低或升高輸入電壓。開關組件由碳化硅(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
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，即關閉開關(閘極供電)；
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。
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。
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。
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，從而損壞組件。
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