用碳化硅MOSFET设计一个双向降压-升压转换器

电池供电的便携设备越来越多，在今日生活中扮演的角色也越来越重要。这个趋势还取决于高能量储存技术的发展，例如锂离子(Li-ion)电池和超级电容器。这些储能设备连接到可再生能源系统(太阳能和风能)，收集和储存能源，并稳定提供给用户，其中一些应用需要快速充电或放电。

这里我们将要介绍的是一种双向DC-DC转换器，其双向性允许电流产生器同时具备充电和放电能力。双向控制器可以车用双电池系统提供出色的性能和便利性。而且在降压和升压模式中采用相同的电路模块大幅降低了系统的复杂性和尺寸，甚至可以取得高达97%的能源效率，并且可以控制双向传递的最大电流。

电气原理

图1显示了简单但功能齐全的电气图，其对称配置可让用户选择四种不同的运作模式。它由四个级联降压-升压转换器的单相象限组成，包括四个开关、一个电感器和两个电容器。根据不同电子开关的功能，电路可以降低或升高输入电压。开关组件由碳化硅(SiC) MOSFET UF3C065080T3S组成，当然也可以用其他组件代替。

 
 
图1：双向降压-升压转换器接线图

四种运作模式

用户可以简单配置四个MOSFET来决定电路的运作模式，具体包括如下四种：

•    电池位于A端，负载位于B端，从A到B为降压；

•    电池位于A端，负载位于B端，从A到B为升压；

•    电池位于B端，负载位于A端，从B到A为降压；

•    电池位于B端，负载位于A端，从B到A为升压；

在该电路中，SiC MOSFET可以三种不同的方式运作：

•    导通，对地为正电压；

•    关断，电压为0；

•    脉动(Pulsating)，具方波和50% PWM；其频率应根据具体运作条件进行选择。

根据这些标准，SiC MOSFET的功能遵循图2中所示的表格：

 
图2：四个SiC MOSFET的运作模式和作用

模式一：降压(Buck)A-B

选择模式一，电路做为降压器，即输出电压低于输入电压的转换器。这种电路也称为“step-down”，其电压产生器需连接在A侧，而负载连接在B侧。负载效率取决于所采用的MOSFET组件。具体配置如下：

•    SW1：以10 kHz方波频率进行切换；

•    SW2：关断，即断开开关；

•    SW3：关断，即断开开关；

•    SW4：关断，即断开开关。

图3中显示了Buck A-B模式下的输入和输出电压；其输入电压为12V，输出电压约为9V，因此电路可用作降压器。其开关频率选择为10kHz，输出端负载为22Ohm，功耗约为4W。

 
图3：Buck A-B模式下的输入和输出电压

模式二：升压A-B

模式二提供升压操作，即作为输出电压高于输入电压的转换器。这种电路也称为“step-up”。 电压产生器需连接在A侧，而负载连接在B侧。负载效率取决于所采用的MOSFET组件。具体配置如下：

•    SW1：导通，即关闭开关(闸极供电)；

•    SW2：关断，即断开开关；

•    SW3：关断，即断开开关；

•    SW4：以10kHz方波频率进行切换。

图4显示了Boost A-B模式下的输入和输出电压，其输入电压为12V，输出电压约为35V，因此电路可用作升压器。其开关频率选择为10kHz，输出端负载为22Ohm，功耗约为55W。

 
图4：Boost A-B模式下的输入和输出电压

模式三：降压B-A

选择模式三，电路也做为降压器运作，即输出电压低于输入电压的转换器。其电压产生器需连接在B侧，而负载连接在A侧，负载效率取决于所采用的MOSFET组件。具体配置如下：

•    SW1：关断，即断开开关；

•    SW2：关断，即断开开关；

•    SW3：以100 kHz方波频率进行切换；

•    SW4：关断，即断开开关。

图5显示了Buck B-A模式下的输入和输出电压。其输入电压为24 V，输出电压约为6.6V，因此电路可用作降压器。其开关频率选择为100kHz，输出端负载为10Ohm。

 
图5：Buck B-A模式下的输入和输出电压

模式四：升压B-A

选择模式四，电路作为升压器运作，即输出电压高于输入电压的转换器。这种电路也称为“step-up”，其电压产生器需连接在B侧，而负载连接在A侧。负载效率取决于所采用的MOSFET组件。具体配置如下：

•    SW1：关断，即断开开关；

•    SW2：以100 kHz方波频率进行切换；

•    SW3：导通，即关闭开关（栅级供电）；

•    SW4：关断，即断开开关。

图6显示了Boost B-A模式下的输入和输出电压。其输入电压为18V，输出电压约为22V，因此电路可用作升压器。其开关频率选择为100 kHz，输出端负载为22 Ohm，功耗约为22W。

 
图6：Boost B-A模式下的输入和输出电压

结语

电路的效率取决于许多因素，首先是所采用的MOSFET导通电阻Rds(on)，它决定了电流是否容易通过(如图7)。另外，这种配有四个功率开关的电路需要进行认真的安全检查；如果SW1和SW2 (或SW3和SW4)同时处于导通状态，则可能造成短路，从而损坏组件。

 
图7：Boost A-B模式下，电感上的脉动电压和电流曲线图

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