如何用碳化硅MOSFET設(shè)計(jì)雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器?
發(fā)布時(shí)間:2021-04-15 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】隨著電池和超級(jí)電容等高效蓄能器的大量使用,更好的電流控制成為一種趨勢(shì)。而雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器可以保持電池健康,并延長(zhǎng)其使用壽命。
摘要
隨著電池和超級(jí)電容等高效蓄能器的大量使用,更好的電流控制成為一種趨勢(shì)。而雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器可以保持電池健康,并延長(zhǎng)其使用壽命。
簡(jiǎn)介
電池供電的便攜式設(shè)備越來(lái)越多,在如今的生活中扮演的角色也愈發(fā)重要。這個(gè)趨勢(shì)還取決于高能量存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展,例如鋰離子(Li-ion)電池和超級(jí)電容器。這些蓄能器連接到可再生能源系統(tǒng)(太陽(yáng)能和風(fēng)能),收集和存儲(chǔ)能源,并穩(wěn)定提供給用戶。其中一些應(yīng)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,其雙向性允許電流發(fā)生器同時(shí)具備充電和放電能力。雙向控制器可以為汽車雙電池系統(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,大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和尺寸,甚至可以獲得高達(dá)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(jiǎn)單但功能齊全的電氣圖,其對(duì)稱配置可讓用戶選擇四種不同的工作模式。它由四個(gè)級(jí)聯(lián)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的單相象限組成,包括四個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)電感器和兩個(gè)電容器。根據(jù)不同電子開(kāi)關(guān)的功能,電路可以降低或升高輸入電壓。開(kāi)關(guān)元件由碳化硅(SiC) MOSFET UF3C065080T3S組成,當(dāng)然也可以用其它器件代替。
圖1:雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器接線圖
四種工作模式
用戶可以簡(jiǎn)單配置四個(gè)MOSFET來(lái)決定電路的工作模式,具體包括如下四種:
電池位于“A”端,負(fù)載位于“B”端,從“A”到“B”為降壓
電池位于“A”端,負(fù)載位于“B”端,從“A”到“B”為升壓
電池位于“B”端,負(fù)載位于“A”端,從“B”到“A”為降壓
電池位于“B”端,負(fù)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工作:
導(dǎo)通,對(duì)地為正電壓;
關(guān)斷,電壓為0;
脈動(dòng),具方波和50%PWM。其頻率應(yīng)根據(jù)具體工作條件進(jìn)行選擇。
根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn),SiC MOSFET的功能遵循圖2中所示的表格。
圖2:四個(gè)SiC MOSFET的工作模式和作用
模式一:降壓(Buck)A-B
選擇模式一,電路將作為降壓器工作,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”。 其電壓發(fā)生器需連接在A側(cè),而負(fù)載連接在B側(cè)。負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下:
SW1:以10 kHz方波頻率進(jìn)行切換
SW2:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)
SW3:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)
SW4:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)
圖3中的曲線圖顯示了Buck A-B模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為12 V,輸出電壓約為9 V,因此電路可用作降壓器。其開(kāi)關(guān)頻率選擇為10 kHz,輸出端負(fù)載為22 Ohm,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”。 電壓發(fā)生器需連接在A側(cè),而負(fù)載連接在B側(cè)。負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下:
SW1:導(dǎo)通,即關(guān)閉開(kāi)關(guān)(柵級(jí)供電)
SW2:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)
SW3:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)
SW4:以10 kHz方波頻率進(jìn)行切換
圖4中的曲線圖顯示了Boost A-B模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為12 V,輸出電壓約為35V,因此電路可用作升壓器。其開(kāi)關(guān)頻率選擇為10 kHz,輸出端負(fù)載為22 Ohm,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,電路也作為降壓器工作,即輸出電壓低于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。其電壓發(fā)生器需連接在B側(cè),而負(fù)載連接在A側(cè)。負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下:
SW1:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)
SW2:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)
SW3:以100 kHz方波頻率進(jìn)行切換
SW4:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)
圖5中的曲線圖顯示了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(kāi)關(guān)頻率選擇為100 kHz,輸出端負(fù)載為10 Ohm。
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,電路作為升壓器工作,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”。其電壓發(fā)生器需連接在B側(cè),而負(fù)載連接在A側(cè)。負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下:
SW1:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)
SW2:以100 kHz方波頻率進(jìn)行切換
SW3:導(dǎo)通,即關(guān)閉開(kāi)關(guān)(柵級(jí)供電)
SW4:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)
圖6中的曲線圖顯示了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(kāi)關(guān)頻率選擇為100 kHz,輸出端負(fù)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)論
電路的效率取決于許多因素,首先是所采用的MOSFET導(dǎo)通電阻Rds(on),它決定了電流是否容易通過(guò)(見(jiàn)圖7)。 另外,這種配有四個(gè)功率開(kāi)關(guān)的電路需要進(jìn)行認(rèn)真的安全檢查。 如果SW1和SW2(或SW3和SW4)同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài),則可能造成短路,從而損壞器件。
圖7:Boost A-B模式下,電感上的脈動(dòng)電壓和電流曲線圖。
(轉(zhuǎn)載來(lái)源:電子發(fā)燒友)
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