电源设计说明：让我们使用SiC MOSFET构建双向降压-升压转换器

随着高效蓄能器（电池和超级电容器）的大量使用，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。

介绍

电池供电的便携式设备数量的增加在当今的生活方式中发挥着重要作用。这一趋势也受高能量存储技术的发展所支配，例如锂离子 (Li-ion) 电池和超级电容器。这些蓄电池连接到可再生能源系统（太阳能和风能）以收集和存储能量并稳定地提供给用户。某些应用程序需要快速/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。双向控制器为基于双电池的汽车系统提供卓越的性能和简单性。降压和升压模式使用相同的电路模块大大降低了系统的复杂性和尺寸。

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电气原理图

图 1显示了简单但功能齐全的电气图。对称配置允许在四种不同的模式下运行，用户可选择这些模式。它由四个作为级联降压-升压转换器工作的单相象限组成。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替换。

图1：双向Buck-Boost转换器接线图

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：

    • 从“A”降压到“B”，电池在“A”，负载在“B”；

    • 从“A”升压到“B”，电池在“A”，负载在“B”；

    • 从“B”降压到“A”，电池在“B”，负载在“A”；

    • 从“B”升压到“A”，电池在“B”，负载在“A”。

在该电路中，SiC MOSFET 可以以三种不同的方式工作：

    • ON，对地电压为正；

    • OFF，电压等于0V；

    • 脉动，方波和 50% PWM。应根据工作条件选择频率。

基于这些标准，碳化硅 MOSFET的功能遵循图 2所示表格中的功能。

图 2：四个 SiC MOSFET 的工作模式和作用

第一种模式：降压AB

通过选择第一种模式，电路作为降压工作，即作为输出电压低于输入电压的转换器。该电路也称为“降压”。对于操作，电压发生器必须连接在 A 侧，负载连接在 B 侧。负载的效率取决于所使用的 MOSFET。它们的配置如下：

    • SW1：以10 kHz 方波频率切换；

    • SW2：关，即开；

    • SW3：关，即开；

    • SW4：关闭，即打开。

图 3中的图表显示了降压 AB 模式下的输入和输出电压。输入电压为 12 V，输出端的电压约为 9 V。因此，该电路用作降压器。选择的开关频率为 10 kHz。连接到输出的负载为 22 欧姆，功耗约为 4 W。

图 3：该图显示了降压 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作为升压的操作，即作为其输出电压高于输入电压的转换器。该电路也称为“升压”。运行时，电压发生器必须连接在 A 侧，负载连接在 B 侧。负载的效率取决于所使用的 MOSFET。它们的配置如下：

    • SW1：ON，即关闭（门供电）；

    • SW2：关，即开；

    • SW3：关，即开；

    • SW4：以10 kHz 方波频率切换。

图 4中的图表显示了 Boost AB 模式下的输入和输出电压。输入电压为 12 V，输出端的电压约为 35 V。因此，该电路用作升压器。选择的开关频率为 10 kHz。连接到输出的负载为 22 欧姆，功耗约为 55 W。

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：降压BA

在第三种模式下，电路再次作为降压工作，即作为输出电压低于输入电压的转换器。对于操作，电压发生器必须连接在 B 侧，负载连接在 A 侧。负载的效率取决于所使用的 MOSFET。它们的配置如下：

     • SW1：OFF，即打开；

     • SW2：关，即开；

     • SW3：以100 kHz 方波频率切换；

     • SW4：关闭，即打开。

图 5中的图表显示了降压 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 6.6 V。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，功耗约为 4.4 W。

图 5：该图显示了降压 BA 模式下的输入和输出电压

第四种模式：Boost BA

该电路的第四种模式提供作为升压的操作，即作为其输出电压高于输入电压的转换器。该电路也称为“升压”。运行时，电压发生器必须连接在 B 侧，负载连接在 A 侧。负载的效率取决于所使用的 MOSFET。它们的配置如下：

    • SW1：关闭

    • SW2：以100 kHz 方波频率切换；

    • SW3：ON，即关闭（门供电）；

    • SW4：关闭。

图 6中的图表显示了 Boost BA 模式下的输入和输出电压。该示例的输入电压为 18 V，输出端的电压约为 22 V。因此，该电路用作升压器。选择的开关频率为 100 kHz。连接到输出的负载为 22 欧姆，功耗约为 22 W。

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，首先是所用 MOSFET 的 Rds(on)，以便电流更容易通过（见图 7）。这种配备四个电源开关的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，可能会造成短路，从而损坏组件。

图 7：升压 AB 模式下电感器上的脉动电压和电流图



审核编辑：刘清