SiC MOSFET的双向降压-升压转换器设计方案

随着大量使用高效的蓄能器（电池和超级电容器），趋势是朝着更好的电流管理方向发展。双向DC / DC转换器可以保持电池健康并延长其使用寿命。

电池供电的便携式设备数量的增加在当今的生活方式中起着重要作用。这种趋势还取决于高能量存储技术的发展，例如锂离子（Li-ion）电池和超级电容器。这些蓄能器连接到可再生能源系统（太阳能和风能），以收集和存储能源并将其稳定地提供给用户。某些应用需要快速充电/反之亦然。我们将要描述的设备是双向DC-DC转换器。双向性允许电流发生器的充电和放电。双向控制器可为基于汽车双电池的系统提供出色的性能和简便性。对于降压和升压模式使用相同的电路模块，可以大大降低系统的复杂性和尺寸。

电气原理图

图1显示了简单但功能齐全的电气图。对称配置允许用户选择四种不同的模式进行操作。它由四个单相象限组成，它们用作级联的降压-升压转换器。它包括四个开关，一个电感器和两个电容器。根据电子开关的功能，电路可以降低或升高输入电压。开关元件由UF3C065080T3S SiC MOSFET组成，显然可以用任何其他器件代替。

图1：双向降压-升压转换器的接线图

四种操作模式

用户可以通过简单地配置四个MOSFET的操作来决定电路的操作。转换器的工作模式如下：

•电池从“ A”降到“ B”，电池在“ A”中，负载在“ B”中；

•电池从“ A”升至“ B”，电池在“ A”，负载在“ B”；

•电池从“ B”降到“ A”，电池在“ B”，负载在“ A”；

•电池在“ B”中，从“ B”升至“ A”，并在“ A”中加载。

在该电路中，SiC MOSFET可以三种不同的方式工作：

•ON，相对于地为正电压；

•OFF，电压等于0V；

•脉动，方波和50％PWM。频率应根据工作条件选择。

基于这些标准，SiC MOSFET的功能遵循图2所示的表格。

图2：四个SiC MOSFET的工作模式和作用

第一模式：Buck AB

通过选择第一模式，电路可作为降压器工作，即作为其输出电压低于输入电压的转换器。该电路也称为“降压”。为了进行操作，必须将电压发生器连接在A侧，将负载连接在B侧。负载的效率取决于所用的MOSFET。它们的配置如下：

•SW1：以10 kHz方波频率进行切换；

•SW2：关闭，即打开；

•SW3：关闭，即打开；

•SW4：关闭，即打开。

图3中的曲线图显示了Buck AB模式下的输入和输出电压。输入电压为12 V，输出端存在约9 V的电压。因此，该电路可用作降压器。选择的开关频率为10 kHz。连接到输出的负载为22 Ohm，耗散约4W。

图3：该图显示了Buck AB模式下的输入和输出电压

第二种模式：Boost AB

电路的第二模式提供了作为升压器的操作，即作为其输出电压高于输入电压的转换器的操作。该电路也称为“升压”。为了运行，电压发生器必须连接在A侧，负载在B侧。负载的效率取决于所用的MOSFET。它们的配置如下：

•SW1：ON，即关闭（门供电）；

•SW2：关闭，即打开；

•SW3：关闭，即打开；

•SW4：以10 kHz方波频率进行切换。

图4中的曲线图显示了Boost AB模式下的输入和输出电压。输入电压为12 V，输出端存在约35 V的电压。因此，该电路可用作升压器。选择的开关频率为10 kHz。连接到输出的负载为22欧姆，耗散约55W。

图4：该图显示了Boost AB模式下的输入和输出电压

第三种模式：Buck BA

在第三模式中，电路再次作为降压器工作，即作为其输出电压低于输入电压的转换器。为了进行操作，必须将电压发生器连接在B侧，将负载连接在A侧。负载的效率取决于所用的MOSFET。它们的配置如下：

•SW1：关闭，即打开；

•SW2：关闭，即打开；

•SW3：以100 kHz的方波频率进行切换；

•SW4：关闭，即打开。

图5中的曲线图显示了Buck BA模式下的输入和输出电压。输入电压为24 V，而输出电压约为6.6V。因此，该电路可用作降压器。选择的开关频率为100 kHz。连接到输出的负载为10欧姆，耗散约4.4W。

图5：该图显示了Buck BA模式下的输入和输出电压

第四种方式：Boost BA

电路的第四模式提供了升压操作，即，其输出电压高于输入电压的转换器。该电路也称为“升压”。为了运行，电压发生器必须在B侧连接，负载在A侧。负载的效率取决于所用的MOSFET。它们的配置如下：

•SW1：关闭

•SW2：以100 kHz的方波频率进行切换；

•SW3：ON，即关闭（门供电）；

•SW4：关闭。

图6中的曲线图显示了Boost BA模式下的输入和输出电压。该示例的输入电压为18 V，输出端存在约22 V的电压。因此，该电路可用作升压器。选择的开关频率为100 kHz。连接到输出的负载为22 Ohm，耗散约22W。

图6：该图显示了Boost BA模式下的输入和输出电压

结论

电路的效率取决于许多因素，首先是所使用的MOSFET的Rds（on），以使电流更容易通过（请参见图7）。配备有四个电源开关的此类电路需要进行严格的安全检查。如果SW1和SW2（或SW3和SW4）同时处于ON状态，则可能会造成短路，从而损坏组件。

图7：Boost AB模式下电感器上脉动电压和电流的曲线图

编辑：hfy